DE60112792T2

DE60112792T2 - Verstärkungseinstellung in Doppler-Überwachungsgeräten für die Hämodynamik

Info

Publication number: DE60112792T2
Application number: DE60112792T
Authority: DE
Inventors: Leonard Ringwood SMITH
Original assignee: Deltex Guernsey Ltd
Current assignee: Deltex Guernsey Ltd
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: US20090149758A1; US20040073116A1; GB0030449D0; EP1345532A1; DE60112792D1; AU2002222175A1; US8075485B2; EP1345532B1; ATE301966T1; WO2002047554A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Doppler-Ultraschall-Überwachungsgeräte und insbesondere die Einstellung der Verstärkung des empfangenen Signals in derartigen Geräten. Eine Nebenerscheinung der Erfindung besteht darin, dass Bewegung des Ultraschallwandlers mit Bezug auf den überwachten Fluss ebenfalls erfasst werden kann.
Hintergrund
Bestehende auf Doppler basierende Ultraschall-Überwachungsgeräte für die Hämodynamik erfordern signifikante Kenntnisse und Erfahrungen des Bedieners, um die Signalverstärkung im Signalverstärker einzustellen, um dadurch gewährleisten zu können, dass dem FFT-Analysator (Fast Fourier Transformierte) ein für die Analyse geeignetes Signal zugeführt wird. Selbst wenn ein geeignetes Signal gegeben ist, ist es dem Bediener immer noch möglich, die von der Maschine kommenden Ausgabedaten durch Änderung der Verstärkung signifikant zu beeinflussen. Weitere Verwirrung kann dadurch entstehen, dass es diese Apparateform erforderlich macht, dass der Bediener, der die angezeigte Wellenform und weitere Ausgabedaten interpretiert, in der Lage sein muss, unterscheiden zu können, ob eine Änderung der angezeigten Daten ein Ergebnis der Bewegung des Wandlers oder eine Änderung der Herzfunktion des Patienten bedeutet.
Damit Apparate dieser Art in einer klinischen Umgebung wirklich sinnvoll sind, ist es wichtig, dass während der Überwachung eines Patienten eine gleichmäßige Datenausgabe produziert wird und dass die Datenqualität nur in geringem Maß von den Kenntnissen des Bedieners während der Einstellung der Maschi ne abhängt. Wenn dies erreicht worden ist, kann das klinische Personal einen Bereich ,normaler' bzw. ,annehmbarer' Daten für alle Patienten festsetzen und veröffentlichen, wodurch der Diagnoseprozess unterstützt wird.
Es sind in der Vergangenheit Versuche unternommen worden, ein ,automatisches' System für die Einstellung der Verstärkung herzustellen. Diese Versuche sind jedoch nicht erfolgreich gewesen, da sie darauf ausgerichtet waren, Signalstärkeeindrücke zu verwenden, ohne den Punkt im Pulsfluss zu beachten, bei dem diese Signalstärke erfasst wurde. Diese bekannten Systeme beinhalteten auch eher die kontinuierliche Einstellung der Verstärkung als die Festsetzung eines Grundwertes und die Fixierung der Verstärkung auf diesen Wert. Diese Methode ruft spezielle Probleme bei der hämodynamischen Überwachung hervor, da, wie vorstehend erwähnt, die Bewegung des Durchflussmesswandlers bezogen auf den überwachten Durchfluss dazu führen kann, dass dem Bediener falsche Daten angezeigt werden. Es ist festgestellt worden, dass ein kontinuierliches automatisches Verstärkungssystem die Sondenbewegung überdeckt, indem die Verstärkung erhöht wird, da die Signalstärke mit der Sondenbewegung abnimmt, wenn der Bediener selbstverständlich darüber hätte informiert sein sollte, dass der Wandler offenbar nicht mehr mit dem Fluss ausgerichtet ist.
Es gibt bekannte Systeme, die den Bediener darüber informieren, wenn eine Bewegung des Wandlers erfasst wird, jedoch umfassen diese Systeme typischer Weise einen weiteren Wandler mit zugehöriger Elektronik, um die Ausrichtung des Wandlers mit dem Gefäß, durch das der Fluss überwacht wird, festzulegen.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur automatischen Einstellung von Verstärkung sowie eine Vorrichtung, die eine derartige Einrichtung zur Verstärkungseinstellung umfasst, zu schaffen, wodurch zumindest in gewisser Weise die vorstehend genannten Nachteile angesprochen werden; bzw. wodurch zumindest eine sinnvolle Auswahlmöglichkeit gegeben ist.
Die US-A-4 858 614 offenbart ein Verfahren, das auf einen Ultraschallwandler im Zentrum eines Blutgefäßes, wie zum Beispiel einer Aorta descendens, abzielt. Um das Ausgangssignal des Wandlers auf einen konstanten Pegel verstärken zu können, wird die Verstärkung automatisch gesteuert und der Wandler so lange verstellt, bis die Verstärkung im Verstärkerkreis einen Mindestwert erreicht. Das Ausgabesignal des Wandlers wird für die Berechnung der Herzleistung des Patienten und/oder seines bzw. ihres Herzindexes und/oder systemischen Gefäßwiderstandes verwendet.
Die US-A-4 608 993 offenbart Systeme zum Messen des Blutflusses, indem eine Doppler-Verschiebung des Ultraschalls erfasst wird, der durch sich in einem Blutgefäß bewegende Blutbestandteile reflektiert wird. Die Systeme wenden elektronische Verfahren an, die eine genaue Verfolgung von Bereichen der Frequenzspektren von Doppler-Verschiebungssignalen ermöglichen, um Spitzen- und Normalgeschwindigkeiten und Beschleunigung bestimmen zu können.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur automatischen Einstellung der Verstärkung des empfangenen Signals in einem Doppler-Ultraschall-Überwachungsgerät für die Hämodynamik geschaffen worden, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Abschätzen der Stärke einzelner Geschwindigkeitskomponenten, die ein Spektrum der momentanen Blutgeschwindigkeit ausmachen, anhand des empfangenen Signals;
Einrichten einer annehmbaren Anzahl von Blutgeschwindigkeitskomponenten durch Identifizieren der Anzahl der Blutgeschwindigkeitskomponenten, deren Stärke über einem vorab definierten Mindestwert liegt;
Einrichten von oberen und unteren Grenzen, zwischen denen die annehmbare Anzahl von Blutgeschwindigkeitskomponenten bei aufeinander folgenden Proben liegen sollte; und
Einstellen der an das empfangene Signal angelegten Verstärkung, um die annehmbare Anzahl von Geschwindigkeitskomponenten bei aufeinander folgenden Proben innerhalb der besagten Grenzen beibehalten zu können.
Der besagte vorab definierte Mindestwert und die oberen und unteren Grenzen können durch klinische Untersuchungen erreicht werden.
Die Stärke der besagten Blutgeschwindigkeitskomponenten kann abgeschätzt werden, während die Gesamtblutgeschwindigkeit hoch ist. In diesem Fall kann die Abschätzung während der Systole erfolgen.
Das Verfahren könnte ferner das Anwenden einer Glättungsfunktion auf die annehmbare Anzahl von Blutgeschwindigkeitskomponenten umfassen, um schnelle Änderungen der Verstärkungseinstellung des empfangenen Signals zu vermeiden. Diese Glättungsfunktion kann erreicht werden, indem eine Laufvariable verwendet wird, die von aufeinander folgenden Proben aus der Vielzahl annehmbarer Blutgeschwindigkeitskomponenten erhalten wird. In diesem Fall kann ein Dekrement an die Laufvariable angelegt werden, wenn die Anzahl annehmbarer Blutgeschwindigkeitskomponenten größer ist als die obere Grenze; und wobei ein Inkrement an die Laufvariable angelegt wird, wenn die Anzahl annehmbarer Blutgeschwindigkeitskomponenten kleiner ist als die untere Grenze. Ein erstes Inkrement oder Dekrement, je nachdem, wie es passend ist, kann an die Laufvariable angelegt werden, wenn der Betrag der Differenz zwischen der Anzahl annehmbarer Geschwindigkeitskomponenten und der passenden Anzahl annehmbarer Geschwindigkeitskomponentengrenzen einen vorab definierten Schwellwert einer Schrittgröße übersteigt; bzw., wenn der Betrag unter dem Schwellwert der Schrittgröße liegt, kann ein zweites Inkrement oder Dekrement an die Laufvariable angelegt werden, wobei das erste Inkrement oder Dekrement größer als das zweite Inkrement oder Dekrement ist.
Die an das empfangene Signal angelegte Verstärkung kann inkrementiert oder dekrementiert werden, je nachdem, wie es passend ist, wenn der Betrag der Laufvariable eine definierte Grenze übersteigt.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Doppler-Ultraschall-Überwachungsgerät für die Hämodynamik, das eine automatische Verstärkungseinstellvorrichtung umfasst und angeordnet ist, um gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten zu können.
Viele Variationen der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann geläufig sein. Die folgende Beschreibung soll nur ein Mittel zur Durchführung der Erfindung zeigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine von einem Doppler-Ultraschall-Überwachungsgerät für die Hämodynamik empfangene Signalwellenform mit gemäß der Erfindung genau eingestellter Verstärkung sowie im unteren Teil der Figur eine Darstellung der annehmbaren Anzahl von Bins zeigt;
2 eine ähnliche Ansicht von 1 zeigt, jedoch mit zu niedrig eingestellter Verstärkung;
3 eine ähnliche Ansicht von 1 zeigt, jedoch mit zu hoch eingestellter Verstärkung; und wobei
4 ein Software-Flussdiagramm zeigt, das die Anwendung einer Laufvariablen darstellt, um die Verstärkungseinstellung gemäß der Erfindung beeinflussen zu können.
Detaillierte Beschreibung eines Arbeitsbeispiels
Die vorliegende Erfindung betrifft hauptsächlich die Einstellung der empfangenen Signalverstärkung in einem Doppler-Ultraschall-Überwachungsgerät für die Hämodynamik. Die Erfindung kann jedoch auch dafür verwendet werden, dem Bediener anzuzeigen, dass der Wandler, der für das Einbringen des Ultraschalls in das betreffende Blutgefäß benutzt wird, nicht mehr mit dem sich bewegenden Blutfluss ausgerichtet ist.
Ein Apparat, auf den die Erfindung insbesondere anwendbar ist, umfasst eine Sonde allgemeiner Art, wie sie in der internationalen Patentveröffentlichung WO 00/61005 beschrieben ist, wobei eine derartige Sonde an ihrem distalen Ende Ultraschall-Sende- und Empfangskristalle trägt. Wird sie benutzt, befindet sich die Sonde in der Speiseröhre des Patienten und ist so ausgerichtet, dass die Kristalle so angeordnet sind, dass sie in einen Bereich der Aorta descendens des Patienten Ultraschall einbringen. Das empfangene Ultraschallsignal wird aufbereitet und dann in einem Digitalrechner verarbeitet, damit die Geschwindigkeit der laminaren Strömung durch die Aorta abgelesen werden kann. Diese Geschwindigkeitsanzeige wird dann mit einem geschätzten Aorta-Querschnittsbereich kombiniert, um die Herzleistung anzeigen zu können.
Als Teil des Signalaufbereitungsprozesses muss das Signal vor der Digitalverarbeitung verstärkt werden, und die Einstellung der Verstärkung dieses Verstärkungsschritts ist keine einfache Aufgabe. Wenn auch eine gewisse Form der automatischen Verstärkungseinstellung unter digitaler Steuerung wünschenswert wäre, werden bei herkömmlichen automatischen Verstärkungseinstellungs-Methodologien keine Faktoren berücksichtigt, die Apparaten dieser Art eigen sind. Zum Beispiel pulsiert durch die Aorta hindurch fließendes Blut, und das Geschwindigkeitsspektrum variiert erheblich über die Dauer jedes Pulses. Ferner kann der Ultraschallwandler durch in anderen in der Nähe befindlichen Gefäßen fließendes Blut beeinflusst werden und kann andere Ausgabedaten erzeugen, wenn er nicht mehr mit der Fließrichtung ausgerichtet ist. Somit wird durch ein einfaches kontinuierliches automatisches Verstärkungssystem, wie es in der Vergangenheit versucht worden ist, als Reaktion auf die Bewegung des Wandlers die Verstärkung nur weiter erhöht und dem Bediener nicht angezeigt, dass sich die Sonde bewegt hat.
Die vorliegende Erfindung befasst sich, zumindest im Fall der im Folgenden beschriebenen Ausführungsform, mit den vorstehend genannten Problemen, indem zunächst laminare Strömung, d.h. eine Strömung, bei der sich die Mehrheit der Fließkomponenten mit einer einzigen Geschwindigkeit bewegt bzw. in der Praxis innerhalb eines engen Geschwindigkeitsbereichs erkannt wird. Folglich besteht der erste Schritt darin, die Signalstärke verschiedener Komponenten des Geschwindigkeitsspektrums abzuschätzen und einen Bereich von Geschwindigkeitskomponenten über einen vorab bestimmten Bereich zu identifizieren. In der Praxis analysiert der DSP-Teil des Rechners vorzugsweise alle vorwärts strömenden Komponenten und zeigt dem Hauptrechner jene an, die über einem vorab bestimmten Betrag liegen.
Auch wenn diese Abschätzung der laminaren Strömung bei einer Anzahl von Punkten im Fließzyklus denkbar wäre, ist der optimale Punkt für eine derartige Abschätzung der, wenn sich das Blut mit relativ hohen Geschwindigkeit bewegt, d.h. während der Systole, dem Zeitraum, in dem sich das Herz zusammenzieht. Anfang und Ende der Systole wird vom Hauptrechner bestimmt und im Falle der hier beschriebenen Erfindung erfolgt die Geschwindigkeitsanalyse während der gesamten Systole, obwohl es denkbar wäre, dass die Analyse auf eine kürzere Zeitdauer zwischen Start und Ende der Systole beschränkt sein könnte, zum Beispiel während der Zeit, während der die Blutgeschwindigkeit nach Beginn der Systole rasch zunimmt.
Nachdem die Zeitdauer, während der die Blutgeschwindigkeitskomponenten analysiert werden sollen, eingestellt worden ist, muss die vorab bestimmte obere und untere Anzahl der Geschwindigkeitskomponenten, die zur Anzeige der korrekten Verstärkungseinstellung verwendet wird, eingestellt werden. Diese werden empirisch durch klinisch-praktische Untersuchungen bestimmt und sind in den Figuren dargestellt. In der Praxis zählt der Rechner die Anzahl der „Frequency bins" (die der graphischen Geschwindigkeits-Zeit-Darstellung entnommen werden) über einem speziellen Mindestpegel und stellt die Verstärkung ein, um sicherstellen zu können, dass diese zwischen Grenzen gehalten werden. Allgemein gesagt: Wenn die Anzahl der „Bins" zu gering wird, bewegt der Rechner die Verstärkungseinstellung nach oben, wohingegen dann, wenn die Anzahl der „Bins" den vorab eingestellten Höchstwert übersteigt, der Rechner die Verstärkungseinstellung nach unten bewegt.
In den Figuren zeigen alle Zeichnungen eine graphische Darstellung von Blutgeschwindigkeit gegenüber Zeit, wobei Start und Ende der Systole markiert worden sind. Unter den Hauptzeichnungen befinden sich Zeichnungen, welche die Anzahl von annehmbaren „Frequency bins" der Geschwindigkeit (die „annehmbare" Geschwindigkeitskomponenten darstellen) für jedes Zeitfenster der darüber erscheinenden Zeichnung zeigen. Festzustellen ist, dass die Abweichung zwischen einer so genannten korrekten Verstärkungseinstellung (1) und einer so genannten übermäßigen Verstärkungseinstellung (3) recht gering ist.
Es ist klar zu erkennen, dass die Blutgeschwindigkeit auf einer kontinuierlichen Basis analysiert wird und dass momentane Schwankungen der Fließgeschwindigkeit zu momentanen, schnellen Änderungen der Verstärkungseinstellung führen würden, es sei denn, die Verarbeitung würde eine gewisse Art der „Dämpfung" umfassen. Dazu wird ein Glättungsverfahren an dem Geschwindigkeitsbereich angelegt. Das Glättungsverfahren wird vorzugsweise unter Verwendung einer Laufvariablen angewandt, einer einfachen Zahl in der Prozess-Software.
Jedes mal, wenn der Rechner eine ganze Herzaktion identifiziert, analysiert er die Daten zwischen Start und Ende der Systole, um die Höchstanzahl der „Frequency bins" über der vorab bestimmten Grenze bei jeder einzelnen Probe festsetzen zu können. Wenn die Anzahl der „Bins" unter einen vorab bestimmten Schwellwert fällt, wird ein Inkrement an die Laufvariable angelegt. Dieses Inkrement ist eine große Zahl, wenn die Diskrepanz bzw. der Fehler groß ist; und sie ist klein, wenn der Fehler bzw. die Diskrepanz klein ist. Wenn die Anzahl der „Bins" den Schwellwert übersteigt, wird ein Dekrement an die Laufvariable angelegt. Wiederum kann das Dekrement groß oder klein sein, was von der Größe des Fehlers bzw. der Diskrepanz abhängt.
Nachdem das Inkrement bzw. Dekrement an die Laufvariable angelegt worden ist, wird der Wert der Laufvariablen abgeschätzt. Wenn er innerhalb vorgeschriebener Grenzen liegt, bleibt die Verstärkungseinstellung unverändert. Wenn der Wert der Laufvariablen jedoch außerhalb der Grenzen liegt, wird die Verstärkung, je nachdem, wie es passend ist, nach oben oder nach unten verändert. Bei jeder Änderung der Verstärkung wird die Laufvariable auf Null zurückgesetzt und der Vorgang wiederholt.
Wie vorstehend gesagt, ist die Laufvariable nur eine einfache Zahl, und die Schwellwerte und Grenzen werden, bezogen darauf, worauf sie eingestellt ist, empirisch durch praktische Untersuchungen festgelegt.
Damit wiederholbare Ergebnisse erreicht werden können und eine mögliche Hysterese vom System entfernt werden kann, erfolgt die Annäherung an den Verstärkungseinstellpunkt immer von unten her. Dazu wird dann, wenn ein Inkrementschritt noch nicht auf die Verstärkung angelegt worden ist, ein Dekrementschritt an die Laufvariable angelegt, wenn festgestellt worden ist, dass der Fehler im Geschwindigkeitsbereich nicht groß genug ist.
Sobald der Verstärkungseinstellungspunkt einmal inkrementiert worden ist, muss das System eine Reihe von Aktionen (d.h. Herzschlägen), z.B. 10, erkennen, die sich innerhalb von Grenzen befinden, ehe gefolgert wird, dass die Verstärkung nun korrekt eingestellt ist und dass der Optimierungsprozess nun beendet werden kann. Der Zähler, der dies steuert, wird bei jeder Änderung der Verstärkung zurückgesetzt.
Wie vorstehend gesagt, ist die vorliegende Erfindung auch nutzbar, um anzuzeigen, wenn der Wandler mit der Strömungsrichtung nicht mehr ausgerichtet ist. In dieser Situation zeigt der Wandler ein derartig herausragendes Geschwindigkeitsprofil nicht an. Die Strömung ist nicht laminar, sondern eher turbulent, wobei sich Geschwindigkeitskomponenten über einen breiten Bereich ausbreiten.
Folglich kann mit korrekt eingestellter Verstärkung und einem korrekt mit der Strömung ausgerichteten Wandler die Bandbreite des Geschwindigkeitsbereichs gespeichert werden. Indem dann die Verteilung der Geschwindigkeitskomponenten kontinuierlich überwacht wird, vorzugsweise unter Verwendung eines gewöhnlichen Glättungsfilters, kann jegliche Abweichung der Geschwindigkeitsverteilung vom gespeicherten Profil in einen turbulenten Zustand eine Wandlerbewegung anzeigen und dem Bediener als solche angezeigt werden.

Claims

Verfahren zur automatischen Einstellung der Verstärkung des empfangenen Signals in einem Doppler-Ultraschall-Überwachungsgerät für die Hämodynamik, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Abschätzen der Stärke einzelner Geschwindigkeitskomponenten, die ein Spektrum der momentanen Blutgeschwindigkeit ausmachen, anhand des empfangenen Signals; Einrichten einer annehmbaren Anzahl von Blutgeschwindigkeitskomponenten durch Identifizieren der Anzahl der Blutgeschwindigkeitskomponenten, deren Stärke über einem vorab definierten Mindestwert liegt; Einrichten von oberen und unteren Grenzen, zwischen denen die annehmbare Anzahl von Blutgeschwindigkeitskomponenten bei aufeinander folgenden Proben liegen sollte; und Einstellen der an das empfangene Signal angelegten Verstärkung, um die annehmbare Anzahl von Geschwindigkeitskomponenten bei aufeinander folgenden Proben innerhalb der besagten Grenzen beibehalten zu können.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorab definierte Mindestwert und die oberen und unteren Grenzen durch klinische Untersuchungen erreicht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stärke der Blutgeschwindigkeitskomponenten abgeschätzt wird, während die Gesamtblutgeschwindigkeit hoch ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Abschätzung während der Systole erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner das Anwenden einer Glättungsfunktion auf die annehmbare Anzahl von Blutgeschwindigkeitskomponenten umfasst, um schnelle Änderungen der Verstärkungseinstellung des empfangenen Signals zu vermeiden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Glättungsfunktion erreicht wird, indem eine Laufvariable verwendet wird, die von aufeinander folgenden Proben aus der Vielzahl annehmbarer Blutgeschwindigkeitskomponenten erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Dekrement an die Laufvariable angelegt wird, wenn die Anzahl annehmbarer Blutgeschwindigkeitskomponenten größer ist als die obere Grenze; und wobei ein Inkrement an die Laufvariable angelegt wird, wenn die Anzahl annehmbarer Blutgeschwindigkeitskomponenten kleiner ist als die untere Grenze.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein erstes Inkrement oder Dekrement, je nachdem, wie es passend ist, an die Laufvariable angelegt wird, wenn der Betrag der Differenz zwischen der Anzahl annehmbarer Geschwindigkeitskomponenten und der passenden Anzahl annehmbarer Geschwindigkeitskomponentengrenzen einen vorab definierten Schwellwert einer Schrittgröße übersteigt; bzw., wenn der Betrag unter dem Schwellwert der Schrittgröße liegt, wird ein zweites Inkrement oder Dekrement an die Laufvariable angelegt, wobei das erste Inkrement oder Dekrement größer als das zweite Inkrement oder Dekrement ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die an das empfangene Signal angelegte Verstärkung inkrementiert oder dekrementiert wird, je nachdem, wie es passend ist, wenn der Betrag der Laufvariable eine definierte Grenze übersteigt.
Doppler-Ultraschall-Überwachungsgerät für die Hämodynamik, das eine automatische Verstärkungseinstellvorrichtung umfasst und angeordnet ist, um gemäß dem in einem der Ansprüche 1-9 beanspruchten Verfahren arbeiten zu können.