DE60129505T2 - Vorrichtung zur Reduzierung des Rauschens und zur Erfassung von fehlerhaften Elektrodenkontakten in medizinischen Vorrichtungen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Reduzieren von Rauschen und zum Detektieren von Elektrodenfehlern in einem Gerät, das zum Messen physiologischer Aktivität verwendet wird.
• Die Organfunktion im Menschen und anderen Objekten wird oft anhand elektrischer Aktivität gesteuert oder ist anderweitig dieser zugeordnet. Beispielsweise generieren die Nervensysteme von Mensch und Tier eine Vielfalt elektrischer Signale, die überwacht und gemessen werden können. In ähnlicher Weise wird der rhythmische Herzschlag durch eine regelmäßige Folge elektrischer Entladungen erhalten. Bei Menschen entstehen die Entladungen in dem Sinusknoten des rechten Vorhofs. Die Entladungen breiten sich durch den Atrioventrikularknoten und einem (als Hiss-Bündel bekanntes) Bündel neuromuskulärer Fasern zu den Ventrikeln fort. Durch Anbringen von Elektroden an verschiedenen Teilen des Körpers kann eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Herzens erzielt werden. Diese Aufzeichnung ist als Elektrokardiogramm oder EKG bekannt. EKGs werden in einer Vielfalt von Diagnose- und Behandlungsprozeduren eingesetzt.
• Die korrekte Anbringung von Elektroden an einem Patienten ist für eine korrekte Detektion und Messung von EKGs sehr wichtig. Wenn eine Elektrode nicht korrekt oder schlecht mit dem Körper verbunden ist, wird entweder kein EKG-Signal oder ein verrauschtes EKG-Signal detektiert. Dieses kann zu Fehldiagnosen und unkorrekten medizinischer Behandlung führen, was wiederum ernsthafte Konsequenzen haben kann.
• Um fehlerhafte EKG-Messwerte zu verhindern, wurden bereits eine Reihe von Vorrichtungen und Verfahren entwickelt, um Elektrodenfehlerzustände zu identifizieren. Trotz des Vorhandenseins dieser Vorrichtungen und Verfahren wurden eine angemessene Detektion von Elektrodenfehlern und eine Verringerung des mit schlechten Elektrodenverbindungen verbundenen Rauschens bisher nicht erreicht.
• US 3 602 215 beschreibt eine Vorrichtung zum Detektieren des Fehlers eines Satzes von in Verbindung mit einem EKG-Verstärker verwendeten Ableitungen. Ableitungsfehler anzeigende Auslöseimpulse werden immer dann erzeugt, wenn die Übertragungsimpedanz einer Ableitung eine vorbestimmte Größe überschreitet.
• Die vorliegende Erfindung ist ein System zum Detektieren von Fehlern in Elektroden, die zum Messen elektrischer Aktivität in Patienten gemäß Definition in Anspruch 1 verwendet werden. In diesem System wird ein Trägersignal an den Patienten geliefert, indem eine RL-Elektrode (so benannt, da sie im Wesentlichen über oder in der Nähe des rechten Schenkels positioniert ist) mit dem Patienten verbunden wird. Die RL-Elektrode liefert ein AC-Trägersignal an den Patienten. Sobald das RL-Signal an den Patienten geliefert ist, wird ein kombiniertes Signal mit einem Anteil elektrischer Aktivität und einem Anteil des Trägersignals gemessen, indem wenigstens eine Signalmesselektrode an dem Patienten angebracht wird. Das kombinierte Signal wird dann verarbeitet, indem der Anteil der elektrischen Aktivität von dem Anteil des Trägersignals abgetrennt wird. Ein Impedanzwert für die wenigstens eine Signalmesselektrode wird dann unter Verwendung des Anteils des Trägersignals berechnet. Schließlich wird der Wert der berechneten Impedanz gegen bekannte Werte verglichen, um zu ermitteln, ob ein Elektrodenfehler vorliegt.
• Bevorzugt beinhaltet der Vorgang der Verarbeitung des kombinierten Signals die Filterung des kombinierten Signals in einem Tiefpassfilter mit endlicher Impulsantwort mit einer ersten Nullpunktsfrequenz. Das Tiefpassfilter wird dazu verwendet, um Hochfrequenzrauschen zu reduzieren und den gemessenen Anteil des Trägersignals von dem gemessenen Anteil der elektrischen Aktivität zu trennen. Das Tiefpassfilter wird auch zum Ermitteln der Eigenschaften des Trägersignals verwendet. Insbesondere wird das Trägersignal so generiert, dass es eine Frequenz besitzt, die im Wesentlichen dieselbe wie die erste Nullpunktsfrequenz des Filters ist. Da das Filter für zwei Funktionen verwendet wird, nämlich zur Rauschfilterung und zur Entfernung des Trägersignals, wird in der vorliegenden Erfindung weniger Rechenleistung im Vergleich zu herkömmlichen Elektrodenfehler-Detektionssystemen benötigt. Die Anwendung von geringerer Rechenleistung ist insbesondere in Mehrfachableitungssystemen mit 12 oder mehr Ableitungen nützlich.
• Die Erfindung kann in einem System implementiert werden, das eine erste EKG-Signal-Messelektrode, eine zweite EKG-Signal-Messelektrode und eine dritte EKG-Signal-Messelektrode enthält, wovon alle zur Anbringung an einem Patienten oder einer Person ausgelegt sind. Eine RL-Elektrode wird ebenfalls mit dem Patienten verbunden. Die RL-Elektrode trägt ein von einem Signalgenerator generiertes AC-Trägersignal. Das Trägersignal strahlt von der RL-Elektrode aus und wird zusammen mit der physiologischen elektrischen Aktivität aus dem Patienten mittels der Messelektroden gemessen. Somit gibt jede Messelektrode ein kombiniertes Signal mit einem Trägersignal anteil und einem Anteil der elektrischen Aktivität aus. Die Signale aus den Elektroden werden an eine Signalverarbeitungseinheit geliefert, die die Signale verarbeitet und ein Ausgangssignal generiert, das an eine Vorrichtung, wie z.B. einen Monitor, einen Drucker, oder eine zusätzliche Verarbeitungsvorrichtung geliefert werden kann. Die Signalverarbeitungseinheit erzeugt auch ein Elektrodenfehlersignal, das an eine Steuer- oder Warnvorrichtung geliefert werden kann, um eine Alarmanzeige, wie z.B. einen Licht- oder Tonalarm auszulösen.
• Wie es aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein System zum Identifizieren von Fehlern in Elektroden in Kombination mit Rauschfilterung bereitzustellen. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Betrachtung der detaillierten Beschreibung und beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
• In den Zeichnungen ist:
• 1 eine schematische Darstellung, die einen Aspekt des Systems der Erfindung darstellt.
• 2 eine schematische Darstellung einer Signalverarbeitungseinheit des Systems der Erfindung.
• 3 eine Darstellung der Frequenzantwort eines für die Verwendung in der Erfindung geeigneten Tiefpassfilters.
• 1 veranschaulicht ein die Erfindung verkörperndes System 10. Das System 10 erfasst und filtert EKG-Signale von einer lebenden Person, wie z.B. einem menschlichen Patienten P, und detektiert während der Erfassung des Signals auftre tende Elektrodenfehler. Das System 10 enthält eine erste EKG-Signal-Messelektrode 12, eine zweite EKG-Signal-Messelektrode 14 und eine dritte EKG-Signal-Messelektrode 16. Die Elektroden 12, 14 und 16 müssen kein spezieller Typ sein, sondern können eine beliebige übliche Elektrode sein, die zum Messen von EKG- und ähnlichen elektrischen Signalen verwendet wird. Die Elektroden können an dem Patienten P gemäß bekannten Verfahren angebracht oder anderweitig damit verbunden werden. Obwohl nur drei Elektroden dargestellt sind, können weniger oder mehr Elektroden mit dem Patienten verbunden werden.
• Eine Rechtschenkel-(RL)-Elektrode 18 wird ebenfalls mit dem Patienten verbunden. Obwohl bevorzugt eine RL-Elektrode in der Erfindung verwendet wird, dürfte es sich verstehen, dass andere aktive Elektroden, die in der Lage sind, ein Signal zu senden, verwendet werden könnten. Die RL-Elektrode trägt ein durch einen Signalgenerator 20 generiertes Wechselstromträgersignal S1. Das Signal S1 strahlt von der Elektrode 18 aus und wird zusammen mit der physiologischen elektrischen Aktivität aus dem Patienten P durch die Messelektroden 12, 14 und 16 gemessen. Somit gibt jede Messelektrode ein kombiniertes Signal S_C mit einem Trägersignalanteil C_SP und einem Anteil E elektrischer Aktivität aus. Die Signale S_C werden an eine Signalverarbeitungseinheit 30 geliefert. Die Verarbeitungseinheit 30 verarbeitet die Signale und erzeugt ein rauschreduziertes EKG-Ausgangssignal S_EKG. Das Signal S_EKG kann an eine Vorrichtung, wie z.B. einen Monitor, einen Drucker oder eine zusätzliche Verarbeitungsvorrichtung (wovon keine dargestellt ist) geliefert werden. Die Signalverarbeitungseinheit 30 erzeugt auch ein Elektrodenfehlersignal SEE, das an eine Steuer- oder Warnvorrichtung geliefert werden kann, um eine (nicht dargestellte) Alarmanzeige, wie eine z.B. Licht- oder einen Tonalarm auszulösen.
• Wie es am besten in 2 dargestellt ist, enthält die Signalverarbeitungseinheit 30 einen Teiler 32. Die Signale S_C werden durch den Teiler 32 in einen ersten Signalanteil S_S1 und einen zweiten Signalanteil S_S2 aufgeteilt. Der erste Signalanteil S_S1 wird an ein Filter 34 geliefert. Das Filter 34 reduziert das Hochfrequenzrauschen in dem ersten Signalanteil S_S1. Das Filter 34 filtert im Wesentlichen auch den gesamten Trägersignalanteil C_SP aus dem ersten Signalanteil S_S1 aus und gibt ein Signal S_OUT aus, das den Anteil E_AP der elektrischen Aktivität enthält. Das Signal S_OUT wird an einen zweiten Teiler 36 gesendet. Der Teiler 36 teilt das Signal S_OUT in ein erstes Signal, welches das Signal S_EKG ist, und in ein zweites Signal P2 auf. Das zweite Signal P2 wird an den positiven Eingang eines Summierknotens oder Verknüpfungsschaltung 38 geliefert.
• Das Signal S_S2 aus dem Teiler 32 wird ebenfalls an die Verknüpfungsschaltung 38 geliefert. Insbesondere wird das Signal S_S2 an den negativen Eingang der Verknüpfungsschaltung geliefert. Die Signale P2 und S_S2 werden in der Verknüpfungsschaltung 38 so verknüpft, dass die Anteile der elektrischen Aktivität jedes Signals im Wesentlichen aufgehoben (auf Null oder nahezu Null Amplitude reduziert) werden. Die Verknüpfungsschaltung gibt ein Signal S_COMB aus, das den Trägeranteil C_SP aus dem Signal S_S2 enthält. Das Signal S_COMB wird in eine Impedanzberechnungseinrichtung 40 eingegeben. Die Impedanzberechnungseinrichtung 40 verwendet das Signal S_COMB zum Berechnen von Impedanzwerten für jede Elektrode 12–16. Die Impedanzberechnungseinrichtung 40 vergleicht die berechneten Werte gegenüber bekannten Impedanzwerten für jede Elektrode. Die Impedanzberechnung basiert auf der Impedanz zwischen der Elektrode und der Hautoberfläche der Person. Wenn eine Mess elektrode korrekt aufgebracht oder mit der Person verbunden ist, ist die Amplitude des Trägersignalanteils C_SP relativ niedrig. Wenn eine Messelektrode einen internen Defekt besitzt oder nicht korrekt verbunden ist, ist die Amplitude des Trägersignals C_SP relativ hoch.
• Der Impedanzwert für jede Elektrode (die Impedanz zwischen der Elektrode und der Haut der Person) wird in einem Algorithmus mit vier Schritten sowohl unter Verwendung des Filters 34 als auch der Impedanzberechnungseinrichtung 40 ermittelt. In dem ersten Schritt wird der erste Signalanteil S_S1 unter Verwendung des Filters 34 wie vorstehend angegeben ausgefiltert. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Filter 34 ein Tiefpassfilter mit begrenzter Impulsantwort (FIR-Filter). Wie es im Fachgebiet bekannt ist, wird ein FIR-Filter unter Verwendung von Software implementiert, und kann durch die nachstehende Gleichung charakterisiert werden: y = (xn + xn1 + ... + xn-N+1)/N Gleichung 1wobei x das Eingangssignal, y das Ausgangssignal und N die Anzahl von x-Eingabetermen ist. Für EKG-Erfassungsanwendungen hat das Filter 34 bevorzugt eine Grenz- oder Eckfrequenz (–3 dB) von etwa 150 Hz. Mit einer Abtastrate von 1000 Hz ist N gleich drei. Durch Einsetzen dieser Werte in die Gleichung 1 ist der erste Nullpunkt (der erste Punkt, bei welchem eine Frequenz vollständig unterdrückt wird) etwa 333 Hz. Dieses ist in dem Frequenzantwortgrafen veranschaulicht, der in 3 dargestellt ist. Gemäß Darstellung hat das Filter bei etwa 333 Hz eine Verstärkung von 0.
• Das Filter 34 gibt das Signal S_OUT aus. S_OUT kann beschrieben werden durch SOUT[i] = (SS1[i] + SS1[i-1] + SS1[i-2])/3 Gleichung 2
• Wenn die Frequenz des Trägersignals S1 auf die Frequenz des ersten Nullpunktes des Filters 34 eingestellt ist, beseitigt der alleinige Vorgang der Filterung das Trägersignal oder den Trägersignalanteil C_SP von dem Signal S_S1 mit dem Ergebnis, dass das Signal S_OUT nur den Anteil E_AP der elektrischen Aktivität enthält. In dem nächsten Schritt des Algorithmus wird das Signal P2 von dem Signal S_S2 bei der Verknüpfungsschaltung 38 subtrahiert, um das Signal S_COMB zu erzeugen, welches beschrieben werden kann durch: SCOMB[i] = SS2[i] – P2[i] Gleichung 3
• In dem dritten Schritt wird das Differential des Signals S_COMB in der Impedanzberechnungseinrichtung 40 berechnet, um S4[i] = SCOMB[i] – SCOMB[i-1] Gleichung 4zu erhalten. Die Differentiation führt zu einer Verstärkung des Signals S_COMB. In dem vierten Schritt wird das Signal S4 verwendet, um den Impedanzwert zu berechnen, indem die Absolutwerte der drei Werte des Signals S4 gemäß S5[i] = (|S4[i]| + |S4[i-1]| + |S4[i-2]|)/6 Gleichung 6addiert werden. Die Verwendung der Absolutwerte für das Signal S4 macht das Signal S5 von der Phase zwischen dem Signal S4 und der Abtastrate unabhängig. Wenn sich ein berechneter Impedanzwert von einem bekannten Impedanzwert um einen vorbestimmten Betrag unterscheidet, wie z.B. 10% oder mehr, wird ein Fehler detektiert und die Impedanzberechnungseinrichtung erzeugt das Elektrodenfehlersignal S_EF.
• Wie angemerkt, ist der Signalgenerator 20 so eingestellt, dass die Frequenz des Trägersignals S1 mit dem ersten Nullpunkt des Filters 34 übereinstimmt. Da das Filter 34 zum Filtern des Signals S_S1 der elektrischen Aktivität und zum Extrahieren des AC-Trägersignals, das der RL-Elektrode 18 zugeführt wird, verwendet wird, sind weniger Rechenressourcen in der vorliegenden Erfindung als in herkömmlichen Systemen erforderlich. In herkömmlichen Systemen müssen zwei Sätze von Computer- oder Programm-Berechnungen ausgeführt werden. Die Verwendung von weniger Berechnungsressourcen ist in Mehrfach-Ableitungssystemen wichtig, da mit der Zunahme der Ableitungen der Aufwand an erforderlicher Rechenleistung zum Verarbeiten der Signale aus den Ableitungen zunimmt. Obwohl Hochleistungsrechner und Prozessoren verfügbar sind, sind Hochleistungsrechner relativ teuer. Die Möglichkeit, ein effektives System mit einem preiswerten Computer zu erzeugen, hält die Kosten für das System 10 niedrig.
• Wie man aus dem Vorstehenden ersehen kann, stellt die Erfindung ein System zum Ermitteln oder Identifizieren von Elektrodenfehlern in einem physiologischen Messsystem bereit.

Claims (2)

1. System zum Detektieren von Fehlern in Elektroden, die zum Messen einer physiologischen Aktivität eines Patienten (P) verwendet werden, wobei das System aufweist: wenigstens eine Trägersignalelektrode (18), um ein Trägersignal (S1) an den Patienten zu liefern; wenigstens eine Aktivitätselektrode (12, 14 oder 16), um ein kombiniertes Signal (S_C) mit einem Aktivitätsanteil (E_AP) und einem Trägersignalanteil (C_SP) zu erfassen; und einen Signalprozessor (30), der mit der wenigstens einen Aktivitätselektrode verbunden ist, wobei der Signalprozessor enthält: einen ersten Teiler (32), um das kombinierte Signal (S_C) in ein erstes Signal (S_S1) mit einem Aktivitätsanteil (E_AP) und einem Trägersignalanteil (C_SP) und in ein zweites Signal (S_S2) mit einem Aktivitätsanteil (E_AP) und einem Trägersignalanteil (C_SP) aufzuteilen, ein mit dem ersten Filter (32) verbundenes Filter (34), um das erste Signal (S_C) aufzunehmen, und im Wesentlichen den Trägersignalanteil (C_SP) des ersten Signals zu entfernen, und das ein Ausgangssignal (S_OUT) aufweist, einen mit dem Filter (34) verbundenen zweiten Teiler (36), um das Ausgangssignal (S_OUT) in ein erstes Ausgangssignal (P1) und ein zweites Ausgangssignal (P2) aufzuteilen, eine mit den ersten und zweiten Teilern verbundene Kombinationseinrichtung (38), um das zweite Signal (P2) von dem zweiten Ausgangssignal (S_S2) zu subtrahieren, um ein zweites Trägersignal (S_COMB) zu erzeugen, und eine mit der Kombinationseinrichtung (38) verbundene Impedanzberechnungseinrichtung (40), um auf der Basis des zweiten Trägersignals einen Impedanzwert zu berechnen.
2. System nach Anspruch 1, wobei die Impedanzberechnungseinrichtung (40) den berechneten Impedanzwert mit einem bekannten Impedanzwert vergleicht und ein Fehlersignal (S_EF) erzeugt, wenn sich der berechnete Impedanzwert von dem bekannten Impedanzwert um einen vorbestimmten Betrag unterscheidet.