DE60016261T2

DE60016261T2 - Verfahren zur analyse von t-zacken mittels analytischen signalen

Info

Publication number: DE60016261T2
Application number: DE60016261T
Authority: DE
Inventors: Ali Haghighi-Mood
Original assignee: Cambridge Heart Inc
Current assignee: Cambridge Heart Inc
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2020-09-30
Also published as: JP3953323B2; EP1215996A1; WO2001022878A1; JP2003510122A; EP1215996B1; DE60016261D1

Description

Die Erfindung ist auf Techniken zur Messung eines Alternans in einer Elektrokardiogramm- (EKG)-Wellenform gerichtet.
Ein Alternans, eine feine Schlag-zu-Schlag-Änderung in dem sich wiederholenden Muster einer (EKG)-Wellenform kann für die elektrische Instabilität des Herzens und eine erhöhte Anfälligkeit für einen plötzlichen Herztod kennzeichnend sein. Der Alternans führt zu einem ABABAB...-Muster der Variation der Wellenform zwischen aufeinanderfolgenden Schlägen in einer EKG-Wellenform. Es ist festgestellt worden, daß der Pegel der Variation eine nützliche Charakterisierung einer elektrischen Herzstabilität eines Individuums ist, wobei eine zunehmende Variation für eine abnehmende Stabilität kennzeichnend ist.
Bezugnehmend auf 1, wird eine EKG-Wellenform für einen einzelnen Schlag typischerweise als ein PQRST-Komplex bezeichnet. Kurzgesagt erscheint die P-Welle an der Einleitung des Schlags und entspricht der Aktivität in der Arterie, während der QRST Komplex der P-Welle folgt und der ventrikulären Aktivität entspricht. Die QRS-Komponente repräsentiert die elektrische Aktivierung der Ventrikel, während die T-Welle deren elektrische Erholung repräsentiert. Das ST-Segment ist eine verhältnismäßig ruhige Periode. Es ist festgestellt worden, daß die T-Welle das beste Intervall des EKG-Komplexes zur Detektion eines Alternans ist. Das heißt, ein Pegel der Variation der T-Wellen abwechselnder Schläge ist der beste Indikator der elektrischen Stabilität der Ventrikel- der Hauptpumpkammern des Herzens.
Während eine EKG-Wellenform typischerweise eine QRS-Amplitude aufweist, die in Millivolt gemessen wird, kann ein Alternans-Variationsmuster mit einer Amplitude in der Größenordnung von einem Mikrovolt klinisch bedeutsam sein. Folglich kann das Alternans-Muster zu klein sein, um durch eine visuelle Untersuchung des Elektrokardiogramms detektiert zu werden, und muß häufig elektronisch detektiert und quantitativ bestimmt werden. Eine solche elektronische Detektion und quantitative Bestimmung des Alternans-Musters wird durch das Vorhandensein von Rauschen in den EKG-Wellenformen weiter kompliziert, da das Rauschen zu Schlag-zu-Schlag-Variationen führen kann, die ein größeres Ausmaß als das Alternans-Variationsmuster haben können.
Das Rauschen in einem EKG-Signal kann in drei Kategorien eingeteilt werden: Grundlinienrauschen, das in der Elektrode erzeugt wird, physiologisches Rauschen und äußeres elektrisches Rauschen. Das Grundlinienrauschen ist ein Niederfrequenzrauschen, das als eine wellige Grundlinie erscheint, auf dem das EKG sitzt. Grundlinienrauschen ist einer Bewegung und Verformung der Elektrode zuzuschreiben, und rührt von Niederfrequenzerscheinungen, wie der Patientenatmung und Patientenbewegung her. Folglich neigt die Größe des Grundlinienrauschens dazu, mit der Übung zuzunehmen.
Typischerweise liegt der Frequenzgehalt des Grundlinienrauschens unter 2 Hz. Physiologisches Rauschen rührt von physiologischen Prozessen her, wie der Skelettmuskelaktivität, die das EKG-Signal störend beeinflussen. Die elektrische Aktivität der Skelettmuskeln erzeugt Potentiale, die bezüglich der Potentiale additiv sind, die durch das Herz erzeugt werden. Der Frequenzgehalt der Skelettmuskelsignale ist mit dem Frequenzgehalt des QRS-Komplex vergleichbar, und ist typischerweise größer als 10 Hz. Wenn ein T-Wellen-Alternans gemessen wird, kann sich aus den Änderungen der Position des Herzens infolge der Atmung oder aus Änderungen der Projektion des elektrischen Potentials aus dem Herz auf die Hautoberfläche infolge von Brustleitfähigkeitsänderungen, die von der Inflation und Deflation der Lungen mit der Atmung herrühren, ein zusätzliches physiologisches Rauschen ergeben.
Äußeres elektrisches Rauschen rührt zum Beispiel von einer elektromagnetischen Umgebungsaktivität im Raum, einer Elektrodenkabelbewegung und Variationen in Verstärkern oder anderen Komponenten des EKG-Schaltungskomplexes her. Äußeres elektrisches Rauschen kann durch die Verwendung von hochqualitativen Komponenten und durch die Reduzierung einer elektromagnetischen Umgebungsaktivität durch zum Beispiel die Deaktivierung von Hochleistungsgeräten beseitigt oder reduziert werden.
Rauschen in der EKG-Wellenform kann auch das Vorhandensein eines Alternans nachahmen, wo keines vorhanden ist. Wenn ein Patient zum Beispiel mit der Hälfte oder einem Drittel der Herzfrequenz atmet, kann die Atmung ein harmonisches Signal einführen, das das ABABAB.: Muster des Alternans aufweist. Eine Bewegung, die sich mit einer gewissen Periodizität wiederholt, wie jene, die sich aus einer Übung ergibt, kann ein Elektrodenrauschen mit einem ähnlichen Muster erzeugen.
Eine Herangehensweise an eine Alternans-Messung, die versucht, sich den Effekten des Rauschens zuzuwenden, wird als das Spektralverfahren zur Messung eines T-Wellen-Alternans bezeichnet. Dieses Verfahren wird im Detail im US-Patent 4,802,491 beschrieben. Zusammengefaßt umfaßt dieses Verfahren die gleichzeitige Analyse von 128 Schlägen eines kontinuierlichen Stroms von EKG-Signalen. Das Spektralverfahren verwendet Messungen von synchronisierten Zeitpunkten aufeinanderfolgender T-Wellen: Eine Zeitfolge wird erzeugt, indem für jeden der 128 Schläge der T-Wellenpegel an einem festen Punkt bezüglich des QRS-Komplexes gemessen wird. Dieser Prozeß wird wiederholt, um eine Zeitfolge für jeden Punkt in der T-Welle zu erzeugen. Es wird dann ein Frequenz-Spektrum für jede Zeitfolge erzeugt, und die Spektren werden gemittelt, um ein zusammengesetztes T-Wellen-Alternans-Spektrum zu erzeugen. Da die T-Wellen für jede Zeitfolge einmal pro Schlag abgetastet werden, zeigt der Spektralwert an der Nyquist-Frequenz, d.h. 0,5 Zyklen pro Schlag, den Pegel der Schlag-zu-Schlag-Änderung in der T-Wellen-Wellenform an.
Die Alterans-Leistung wird statistisch mit der Rauschleistung verglichen, um die Schlag-zu-Schlag-T-Wellenvariation infolge einer abnormen elektrischen Aktivität des Herzen von der zufälligen Variation infolge des Untergrundrauschens zu diskriminieren. Die Alternans-Leistung wird berechnet, indem die mittlere Leistung in einem Referenzband, das verwendet wird, um den Untergrundrauschpegel abzuschätzen (zum Beispiel das Frequenzband von 0,44–0,49 Zyklen pro Schlag), von der Leistung an der Nyquist-Frequenz (0,50 Zyklen pro Schlag) subtrahiert wird. Ein Alternans wird für bedeutsam gehalten, wenn der Alternans mindestens das Dreifache der Standardabweichung des Rauschens im Rauschreferenzband beträgt.
Das US-Patent Nr. 5,704,365 beschreibt ein Verfahren zum Reduzieren des Rauschens in einem Signal, das einen physiologischen Prozeß repräsentiert. Das Verfahren umfaßt das Erhalten mehrerer Eingangssignale, Messen einer Beziehung zwischen dem Rauschgehalt der Eingangssignale, und Kombinieren der Eingangssignale unter Berücksichtigung der gemessenen Beziehung, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einen niedrigen Rauschgehalt aufweist.
Diese Erfindung stellt verbesserte Techniken zur Messung eines T-Wellen-Alternans bereit.
Das Spektralverfahren zur T-Wellen-Alternans-Messung beruht auf zwei Annahmen. Die erste Annahme ist, daß das physiologische T-Wellen-Alternans mit der T-Welle phasenverriegelt ist und daher bei jedem Schlag mit einer konstanten Phase abgetastet werden kann. Diese Annahme ist infolge der physiologischen Faktoren gültig, die mit der Erzeugung eines T-Wellen-Alternans verbunden sind.
Die zweite Annahme ist, daß das Rauschen im Rauschreferenzband weiß ist. Um diese Bedingung zu erfüllen, muß farbiges Rauschen (z.B. Bewegungsartefakte, die auf die Übung zurückzuführen sind) im Rauschreferenzband vermieden werden. Während eines Ergometerübungstests kann die Trittfrequenz auf 1/3 oder 2/3 der Herzfrequenz eingestellt werden, wobei hörbare und sichbare Hinweise verwendet werden, um den größten Teil des farbigen Rauschens vom Rauschreferenzband und der Alternans-Frequenz weg zu bewegen. Nichtsdestoweniger fällt farbiges Rauschen häufig in das Rauschreferenz-Rauschband und auf die Alternans-Frequenz während einer Ergometerübung, was auf die Übung, andere Bewegungsartefakts, Atmung und andere Quellen zurückzuführen ist. Ferner ist es während einer Laufbandübung schwierig, die Schrittfrequenz zu kontrollieren, und es ist für übungsinduzierte Bewegungsartefakte üblich, farbiges Rauschen zu erzeugen, das in das Rauschreferenzband und auf die Alternans-Frequenz fällt.
In einem allgemeinen Aspekt umfaßt die Messung eines Alternans in einem physiologischen Signal die Verarbeitung des physiologischen Signals, um ein aufbereitetes Signal zu erzeugen, das ein asymmetrisches Spektrum aufweist (d.h. ein Spektrum, das zur Gleichspannung asymmetrisch ist), und die Verarbeitung des aufbereiteten Signals, um ein Alternans im physiologischen Signal zu messen.
Die Verarbeitung des physiologischen Signals, um ein aufbereitetes Signal zu erzeugen, kann die Erzeugung des aufbereiteten Signals als ein analytisches Signal, oder als eine Näherung eines analytischen Signals umfassen. Die Erzeugung eines analytischen Signals kann die Erzeugung einer Frequenzbereichsdarstellung des physiologischen Signals, das Modifizieren der Frequenzbereichsdarstellung, um Komponenten zu entfernen, die negativen Frequenzen entsprechen, und die Erzeugung des analytischen Signals als eine Zeitbereichsdarstellung der modifizierten Frequenzbereichsdarstellung umfassen.
Das physiologische Signal kann ein Elektrokardiogramm sein. Das Elektrokardiogramm kann von einem Patienten während einer Übung aufgezeichnet werden, wie einer Übung, die ein Ergometer oder ein Laufband verwendet.
Die Verarbeitung des aufbereiteten Signals kann eine Abtastung des aufbereiteten Signals mit einer Frequenz umfassen, die kleiner oder gleich dem Doppelten einer Frequenz ist, die dem Alternans entspricht. Zum Beispiel kann das aufbereitete Signal einmal pro Schlag abgetastet werden, wobei die Frequenz des Alternans einmal jeden zweiten Schlag ist. Anders gesagt, umfaßt die Verarbeitung eine Verarbeitung von Abtastwerten des Signals, die durch Intervalle beabstandet sind, die größer oder gleich der Hälfte der Periode des Alternans sind.
In einem weiteren allgemeinen Aspekt kann ein Alternans unter Verwendung eines Systems gemessen werden, das eine Eingangseinheit, die eingerichtet ist, das physiologische Signal zu empfangen, einen Prozessor und eine Ausgangseinheit aufweist. Der Prozessor ist mit der Eingangseinheit verbunden und eingerichtet, das physiologische Signal zu verarbeiten, um ein aufbereitetes Signal zu erzeugen, das ein asymmetrisches Spektrum aufweist, und das aufbereitete Signal zu verarbeiten, um eine Anzeige des Alternans im physiologischen Signal zu erzeugen. Die Ausgangseinheit ist mit dem Prozessor verbunden und eingerichtet, die Anzeige des Alternans zu empfangen und auszugeben.
In einem weiteren allgemeinen Aspekt kann ein bandbegrenztes Signal analysiert werden, indem eine analytische Signalversion des Signals erzeugt wird, das analytische Signal abgetastet wird, und die Abtastwerte des Signals verarbeitet werden, die mit Intervallen beabstandet sind, die größer oder gleich der Hälfte der Periode der höchsten Frequenzkomponente des bandbegrenzten Signals sind, um ein abgetastetes analytisches Signal zu erzeugen, und das abgetastete analytische Signal analysiert wird.
Das bandbegrenzte Signal kann ein physiologisches Signal sein, wie ein Elektrokardiogramm, und die Analyse kann eine Messung des Alternans umfassen. Das bandbegrenzte Signal kann auch ein Elektroenzephalogramm-Signal sein.
Wenn das bandbegrenzte Signal periodisch ist, kann die Analyse Detektionsfrequenzkomponenten enthalten, die an oder nahe von Teilvielfachen des Reziproken der Periode des bandbegrenzten Signal sind.
Andere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung, einschließlich der Zeichnungen, und aus den Ansprüchen deutlich werden.
1 ist eine graphische Darstellung einer EKG-Wellenform für einen einzelnen Schlag.
2A und 2B sind graphische Darstellungen eines bandbegrenzten Signals bzw. des Leistungsspektrums des Signals.
3A und 3B sind graphische Darstellungen des bandbegrenzten Signals der 2A, das mit einer Frequenz abgetastet wird, die größer als das Doppelte der Frequenz der höchsten Frequenzkomponente des bandbegrenzten Signals ist, bzw. des sich ergebenden Leistungsspektrums für das abgetastete Signal.
4A und 4B sind graphische Darstellungen des bandbegrenzten Signals der 2A, das mit einer Frequenz abgetastet wird, die kleiner als das Doppelte der Frequenz der höchsten Frequenzkomponente des bandbegrenzten Signals ist, bzw. des sich ergebenden Leistungsspektrums für das abgetastete Signal.
5A ist eine Auftragung der Herzfrequenz eines Patienten als Funktion der Zeit während eines Laufbandübungstests; 5B ist eine Auftragung der Schrittfrequenz des Patienten als Funktion der Zeit; und 5C ist eine Auftragung der Schritfrequenz dividiert durch die Herzfrequenz (durchgezogene Linie) und der ersten Subharmonischen der Schrittfrequenz dividiert durch die Herzfrequenz (gepunktete Linie).
6 ist ein Ablaufplan einer Prozedur zur Verarbeitung von EKG-Signalen.
7A und 7B sind graphische Darstellungen eines bandbegrenzten Signals bzw. des Leistungsspektrums des Signals.
8 ist eine graphische Darstellung der Übertragungsfunktion eines Filters, der verwendet wird, um aus einem bandbegrenzten Signal ein analytisches Signal zu erzeugen.
9 ist eine graphische Darstellung eines Leistungsspektrums des analytischen Signals.
10A und 10B sind graphische Darstellungen des analytischen Signals, das mit einer Frequenz abgetastet wird, die kleiner als das Doppelte der Frequenz der höchsten Frequenzkomponente des bandbegrenzten Signals ist, bzw. des sich ergebenden Leistungsspektrums.
11A und 11B sind graphische Darstellungen von Leistungsspektren, die unter Verwendung einer Herangehensweise mit analytischem Signal bzw. dem Spektralverfahren erzeugt werden.
Es werden Techniken zur Verarbeitung eines EKG-Signals beschrieben, um den Effekt von farbigem Rauschen zu reduzieren oder zu beseitigen. Die Detektion eines Alternans in einem EKG-Signal kann durch eine Verarbeitung des EKG-Signals verbessert werden, um die Effekte des Rauschens zu reduzieren oder zu beseitigen. Jedoch können sich bei der Verarbeitung eines Signals, das farbiges Rauschen enthält, Fehler ergeben, wenn man annimmt, daß das Rauschen weiß ist.
Theoretisch muß, um eine Faltungsverzerrung zu vermeiden, wenn ein Signal mit einer gegebenen Frequenz F_S abgetastet wird, das Signal auf die Hälfte der Abtastfrequenz 0,5 F_S bandbegrenzt werden, die als die Nyquist-Frequenz bezeichnet wird.
Die 2A bzw. 2B zeigen ein bandbegrenztes Analogsignal x_a(t) und das Leistungsspektrum X_a(f) für dieses Signal. Man beachte, daß das Leistungsspektrum zu null symmetrisch ist.
Wenn das Analogsignal abgetastet wird, ist das Spektrum für das abgetastete Signal mit einer Periode periodisch, die gleich der Abtastfrequenz F_S ist. Die 3A und 3B zeigen einen Fall, in dem die Abtastfrequenz größer als das Doppelte der Signalbandbreite 2B ist. Wie gezeigt, gibt es keine Interferenz zwischen benachbarten Spektralperioden, und folglich kann eine genaue Messung der Signalleistung bei allen Frequenzen des analogen Ausgangssignal gemacht werden, indem das Spektrum für eine Spektralperiode betrachtet wird.
Die 4A und 4B zeigen einen Fall, in dem die Abtastfrequenz kleiner als 2B ist. Wie gezeigt, verzerrt eine Interferenz zwischen benachbarten Spektralperioden das Spektrum für die Frequenzen der Überlappung.
Wie in den 4A und 4B gezeigt, führt eine Nichtbefolgung der Nyquist-Bedingung (d.h. Verwendung einer Abtastfrequenz, die kleiner als das Doppelte der Signalbandbreite ist) zu einer Unterbewertung der Signalleistung bei allen überlappenden Frequenzen einschließlich der Nyguist-Frequenz. Zur Alternans-Detektion ist die Abtastfrequenz auf einen Abtastwert pro Schlag begrenzt, und da die Alternans-Frequenz genau bei der Nyquist-Frequenz liegt, kann das Signal nicht bandbegrenzt werden, um die Nyquist-Bedingung zu erfüllen.
Das Spektralverfahren zur T-Wellen-Alternans-Messung ist ein genaues Verfahren im Fall eines T-Wellen-Alternans, das während Übungstests gemessen wird, die auf einem Ergometer durchgeführt werden, wobei die Trittfrequenz gut auf 1/3 oder 2/3 der Herzfrequenz kontrolliert wird. Dies liegt daran, daß zwei Bedingungen die Effekte einer Nichtbefolgung der Nyquist-Bedingung reduzieren oder beseitigen können.
Zunächst kann das Rauschen im Rauschband als weiß betrachtet werden. Da das Spektrum für weißes Rauschen für alle Frequenzen flach ist, gibt es eine Interferenz von mehreren benachbarten Spektralzyklen. Das bedeutet wiederum, daß eine Interferenz, die auf Rauschen zurückzuführen ist, für alle Frequenzen statistisch äquivalent ist.
Zweitens ist, wie oben bemerkt, das Alternans phasenverriegelt (d.h, das EKG-Signal wird an synchronisierten Punkten abgetastet). Dies bedeutet, daß sich die Signale an der Nyquist-Frequenz mit einer beständigen Phase überlagern, was zu einer korrekten Abschätzung der Signalleistung an dieser Frequenz führt.
Es können farbige Rauschartefakte in einem T-Wellen-Alternans auftauchen, das während einer Ergometerübung gemessen wird. Zum Beispiel kann die Trittfrequenz nicht gut kontrolliert werden, oder das Artefakt, das auf die Atmung zurückzuführen ist, kann bewirken, daß farbiges Rauschen im Rauschband und an der Alternans-Frequenz auftritt.
Farbiges Rauschen kann auch bei Tests vorhanden sein, die eine Laufbandübung verwenden. Bei einer solchen Übung kann ein Bewegungsartefakt, das auf Gehen/Rennen zurückzuführen ist, unerwünschte Signale farbiger Natur auf oder nahe der Alternans-Frequenz erzeugen. Bei Laufbandübungstests ist die Gehfrequenz im allgemeinen nahe der Herzfrequenz, so daß Subharmonische der Herzfrequenz beträchtliche Rauschkomponenten im Rauschband erzeugen können. Die 5A–5C zeigen einen typischen Fall eines Laufbandübungstests, in dem die Schrittfrequenz des Patienten nahe der Herzfrequenz ist. 5A zeigt die Herzfrequenz als eine Funktion der Zeit, 5B zeigt die Schrittfrequenz, und 5C zeigt die Schrittfrequenz und ihre Subharmonische, normiert auf die Herzfrequenz. In diesem besonderen Fall erzeugt das Laufen Artefakte mit Frequenzen nahe der Hälfte der Herzfrequenz.
In einem Fall, wie jenem, der in den 5A-5C dargestellt wird, führt eine Störung zwischen Komponenten aus angrenzenden Spektren mit unterschiedlicher Phase, da das Rauschen im Rauschband farbig ist, zu einer Unterbewertung des Rauschens und daher einer Überbewertung der Alternans-Leistung, was wiederum zu fehlerhaften positiven Ergebnissen für Laufband-T-Wellen-Alternans-Tests führt.
Bezugnehmend auf 6, können Probleme, die mit dem Varhandensein von farbigem Rauschen verbunden sind, durch die Verwendung einer analytischen Signaltechnik 600 vermieden werden. Gemäß der Technik 600 wird ein EKG-Signal unter Verwendung eines 50 Hz-Filters (Schritt 605) und eines 60 Hz-Filters (Schritt 610) verarbeitetet. Diese Verarbeitung reduziert die Effekte von Netzspannungen, die verwendet werden, um die Einrichtung zu versorgen, die das EKG-Signal erzeugt, wobei 60 Hz die Standard-Netzspannungsfrequenz in den Vereinigten Staaten ist und 50 Hz der Standard in Europa ist.
Danach wird eine analytische Version des Signals erzeugt (Schritte 615–635). Zuerst wird das Signal tiefpaßgefiltert (Schritt 615). In einer Implementierung ist der Tiefpaßfilter ein Butterworth-Filter fünfter Ordnung mit einer Nullphasen-Konfiguration. Das gefilterte Signal wird dann auf den Frequenzbereich übertragen, wobei eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) verwendet wird (Schritt 620)
In dem Frequenzbereich werden die Anteile des Frequenzspektrums, die negativen Frequenzen entsprechen, entfernt (Schritt 625). Die Technik gleicht dann das Entfernen der negativen Frequenzen aus, indem alle positiven, von null verschiedenen Komponenten des Frequenzspektrums (Schritt 630) verdoppelt werden. Es wird dann eine inverse schnelle Fourier-Transformation (IFFT) am modifizierten Frequenzspektrum durchgeführt, um ein analytisches Signal im Zeitbereich zu erzeugen (Schritt 635).
Danach wird das analytische Signal auf eine analytische Version des Wilson-Central-Terminal (Schritt 640) referenziert. Der Wilson-Central-Terminal(WCT) ist ein wohlbekannter EKG-Referenzwert. Die analytische Version des WCT wird aus dem Standard-WCT unter Verwendung der Prozedur erzeugt, die in den Schritten 615–635 angegeben wird. Das analytische Signal wird auf die analytische Version des WCT referenziert, indem die Differenz zwischen den beiden Signalen bestimmt wird.
Das referenzierte analytische Signal wird dann ähnlich zum Spektralverfahren verarbeitet. Insbesondere wird das referenzierte analytische Signal zu synchronisierten Zeitpunkten auf der T-Welle für eine Ansammlung von 128 Schlägen abgetastet (Schritt 645), und es wird eine Zeitfolge für jeden Punkt auf der Ansammlung von T Wellen erzeugt (Schritt 650). Wie im Spektralverfahren wird eine Zeitfolge erzeugt, indem für jeden der 128 Schläge der T-Wellenpegel an einem festen Punkt relativ zum QRS-Komplex gemessen wird. Dieser Prozeß wird wiederholt, um eine Zeitfolge für jeden Punkt in der T-Welle zu erzeugen.
Danach wird die Zeitfolge verarbeitet, um das Rauschen zu reduzieren, wie jenes, das von der Grundlinienwanderung herrührt (Schritt 653). Im allgemeinen verwendet diese Verarbeitung andere Signale, einschließlich jener, die der Atmung und der Impedanz entsprechen, um die Grundlinienwanderung adaptiv zu entfernen. Techniken zur Verarbeitung der Zeitfolge werden detaillierter im US-Patent 5,704,365, mit dem Titel „USING RELATED SIGNALS TO REDUCE ECG NOISE" beschrieben.
Es wird dann ein Frequenzspektrum für jede Zeitfolge erzeugt (Schritt 655), und die Spektren werden Bemittelt, um ein zusammengesetztes T-Wellen-Alternans-Spektrum zu bilden (Schritt 660). Da die T-Wellen einmal pro Schlag für jede Zeitfolge abgetastet werden, zeigt der Spektralwert an der Nyquist-Frequenz, d.h. 0,5 Zyklen pro Schlag, den Pegel der Schlag-zu-Schlag-Veränderung in der T-Wellen-Wellenform an.
Schließlich wird die Alternans-Leistung statistisch mit der Rauschleistung verglichen, um die Schlag-zu-Schlag-T-Wellenvariation infolge einer abnormen elektrischen Aktivität des Herzens von der zufälligen Variation infolge des Untergrundrauschens zu diskriminieren (Schritt 665). Die Alternans-Leistung wird berechnet, indem die mittlere Leistung in einen Referenzband, das verwendet wird, um den Untergrundrauschpegel abzuschätzen, von der Leistung an der Nyquist-Frequenz (0,50 Zyklen pro Schlag) subtrahiert wird. In einer Implementierung, enthält das Referenzband Frequenzen von 0,43 bis 0,49 und 0,51 bis 0,56 Zyklen pro Schlag. In derselben Implementierung wird der Alternans bedeutsam angesehen, wenn er mindestens das Dreifache der Standardabweichung des Rauschens im Rauschreferenzband beträgt.
Im allgemeinen reduziert oder beseitigt die Technik 600 die Auswirkungen der Faltungsverzerrung. Der Betrag der Faltungsverzerrung hängt von der Herzfrequenz des Patienten ab und vermindert sich, wenn die Herzfrequenz zunimmt. Für hauptsächlich interessierende Herzfrequenzen, wie 80 bis 120 Schläge pro Minute, beträgt die Abtastfrequenz annähernd 2 Hz. Im Spektralverfahren würde dies bedeuten, daß jede Signalkomponente des Frequenzgehalts über 1 Hz eine Quelle der Faltungsverzerrung wäre.
Da eine Faltungsverzerrung hauptsächlich auf die gegenseitige störende Beeinflussung zwischen den Frequenzkomponenten am positiven Teil des Spektrums und jenen am negativen Teil des Spektrums aus einer angrenzenden Periode des Spektrums zurückzuführen ist, dient die Erzeugung eines analytischen Signals dazu, eine Faltungsverzerrung zu vermeiden. Insbesondere entfernt die Erzeugung des analytischen Signals die störenden negativen Frequenzkomponenten, während das Signal skaliert wird, um die Gesamtsignalenergie zu erhalten.
Ein analytisches Signal ist ein komplexes Signal. Siehe Proakis JG, Manolakis DG, Digital Signal Processing, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 1996 S. 738–742. Der Realteil des komplexen Signals y ist das Ausgangssignal x und der Imaginärteil ist die Hilbert-Transformation H(x) des Ausgangssignals: y = x + jH(x)wobei H(x) die Hilbert-Transformation von x mit der folgenden Übertragungsfunktion ist.
Die Hilbert-Transformation gibt eine komplexe Folge zurück. Diese Folge ist eine Version der reellen Ausgangsfolge mit einer 90°-Phasenverschiebung. Sie weist denselben Amplituden- und Frequenzgehalt wie die reellen Ausgangsdaten auf und enthält eine Phaseninformation, die von der Phase der Ausgangsdaten abhängt.
Die Gesamttransformation weist die folgende reelle Übertragungsfunktion auf:
Das analytische Signal ist dadurch gekennzeichnet, daß es ein asymmetrisches Spektrum aufweist, wobei negative Frequenzkomponenten entfernt worden sind. Es können einen Vielfalt von Zeitbereichs- und Frequenzbereichsverarbeitungsverfahren und Filtern verwendet werden, um die Herangehensweise mit einem analytischen Signal zu implementieren oder anzunähern. Diese Verfahren beeinflussen bestimmte Frequenzen des Eingangssignals für die positive Frequenz + und die entsprechende negative Frequenz – unterschiedlich. Das Ergebnis ist ein Signal mit einem asymmetrischen Spektrum. Beispiele geeigneter Verarbeitungsverfahren und Filter schließen Spektralfensterfunktionen und Zeitbereichsfunktionen ein, die das Eingangssignal mit einem Signal falten, dessen Spektrum asymmetrisch ist, sind jedoch nicht auf sie beschränkt. Es gibt eine Anzahl von Techniken, die verwendet werden können, um geeignete Funktionen zu erzeugen. Diese Techniken schließen eine Tschebyscheff-Näherung, ein FIR- oder IIR-Filterdesign, Fenstertechniken, rekursive Designtechniken und inverse Z-Transformationstechniken ein, sind jedoch nicht auf sie beschränkt.
|ω_n|
|ω_n|
Das bandbegrenzte Signal, das in 7A gezeigt wird, weist das Leistungsspektrum auf, das in 7B gezeigt wird. Wenn das Filter, das in 8 gezeigt wird, auf das Signal der 7A angewendet wird, wird ein analytisches Signal erzeugt, das das Leistungsspektrum aufweist, das in 9 gezeigt wird. Dieses Signal kann dann mit einer Frequenz abgetastet werden, die kleiner als die doppelte Bandbreite ist, wie in 10A gezeigt. Für ein Elektrokardiogrammsignal ist das digitale Spektrum durch eine feinere Abtastung des Signals an T-Wellenorten immer noch ein periodisches Spektrum mit einer Periode von 1/Abtastungsintervall, d.h. der Herzfrequenz. Wie in 10B gezeigt, wird eine gegenseitige störende Beeinflussung zwischen den positiven und negativen Frequenzen beseitigt, da der negative Teil des Spektrums entfernt wird.
Diese Herangehensweise läßt eine genaue Messung des T-Wellen-Alternans zu, selbst wenn es an oder nahe der Alternans-Frequenz farbiges Rauschen gibt, was bei Laufbandübungstests auftreten kann. Die 11A und 11B stellen einen Vergleich zwischen der analytischen Herangehensweise und dem existierenden Spektralverfahren dar. Es ist deutlich, daß das Vorhandensein von farbigem Rauschen im Rauschband zu einer Überbewertung der Alternans-Leistung und Unterbewertung der Rauschleistung im Spektralverfahren führt. Im Gegensatz dazu liefert das analytische Verfahren eine genaue Abschätzung sowohl des Alternans als auch des Rauschens im Rauschband.
Andere Ausführungsformen liegen im Rahmen der folgenden Ansprüche.

Claims

Verfahren zur Messung eines Alternans in einem physiologischen Signal, wobei das Verfahren aufweist: Verarbeitung des physiologischen Signals, um ein aufbereitetes Signal zu erzeugen, das ein asymmetrisches Spektrum aufweist; und Verarbeitung des aufbereiteten Signals, um den Alternans im physiologischen Signal zu messen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitung des physiologischen Signals, um ein aufbereitetes Signal zu erzeugen, die Erzeugung des aufbereiteten Signals als ein analytisches Signal umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Erzeugung des aufbereiteten Signals als ein analytisches Signal die Erzeugung einer Frequenzbereichsdarstellung des physiologischen Signals, das Modifizieren der Frequenzbereichsdarstellung, um Komponenten zu entfernen, die negativen Frequenzen entsprechen, und die Erzeugung des analytischen Signals als eine Zeitbereichsdarstellung der modifizierten Frequenzbereichsdarstellung umfaßt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das physiologische Signal ein Elektrokardiogrammsignal aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das physiologische Signal ein Elektrokardiogramm aufweist, das von einem Patienten während einer Übung aufgezeichnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Übung die Verwendung eines Ergometers oder eines Laufbands umfaßt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitung des aufbereiteten Signals die Abtastung des aufbereiteten Signals mit einer Frequenz aufweist, die kleiner oder gleich dem Doppelten einer Frequenz ist, die dem Alternans entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verarbeitung des aufbereiteten Signals die Verarbeitung von Abtastwerten des Signals aufweist, die in Intervallen beabstandet sind, die größer oder gleich der Hälfte der Periode des Alternans sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitung des physiologischen Signals die Erzeugung einer Näherung einer analytischen Signalversion des physiologischen Signals aufweist.
System zur Messung eines Alternans in einem physiologischen Signal, wobei das System aufweist: eine Eingangseinheit, die eingerichtet ist, das physiologische Signal zu empfangen; einen Prozessor, der mit der Eingangseinheit verbunden und eingerichtet ist, das physiologische Signal zu verarbeiten, um ein aufbereitetes Signal zu erzeugen, das ein asymmetrisches Spektrum aufweist, und das aufbereitete Signal zu verarbeiten, um eine Anzeige des Alternans im physiologischen Signal zu erzeugen; und eine Ausgangseinheit, die mit dem Prozessor verbunden ist und eingerichtet ist, die Anzeige des Alternans zu empfangen und auszugeben.
System nach Anspruch 10, wobei der Prozessor eingerichtet ist, das aufbereitete Signal als ein analytisches Signal zu erzeugen.
System nach Anspruch 11, wobei der Prozessor eingerichtet ist, das aufbereitete Signal als ein analytisches Signal zu erzeugen, durch Erzeugung einer Frequenzbereichsdarstellung des physiologischen Signals, Modifizieren der Frequenzbereichsdarstellung, um Komponenten zu entfernen, die negativen Frequenzen entsprechen, und Erzeugung das analytischen Signals als eine Zeitbereichsdarstellung der modifizierten Frequenzbereichsdarstellung.
System nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Eingangseinheit einen Schaltungskomplex aufweist, der eingerichtet ist, ein Elektrokardiogrammsignal zu empfangen, wobei das System ferner eine Elektrode aufweist, die mit der Eingangseinheit verbunden und eingerichtet ist, ein Elektrokardiogrammsignal zu erzeugen.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Prozessor eingerichtet ist, das Elektrokardiogrammsignal mit einer Frequenz von einmal pro Schlag abzutasten.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Prozessor eingerichtet ist, das aufbereitete Signal mit einer Frequenz abzutasten, die kleiner oder gleich dem Doppelten einer Frequenz ist, die dem Alternans entspricht.