DE69018924T2

DE69018924T2 - Verfahren zur Unterscheidung von Herz-Impulsenden.

Info

Publication number: DE69018924T2
Application number: DE69018924T
Authority: DE
Inventors: Moussa Noory Shaya; Jyh-Yun Wang
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1989-10-24
Filing date: 1990-05-30
Publication date: 1995-12-21
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: EP0424607A2; US5033473A; JP2995080B2; DE69018924D1; EP0424607A3; EP0424607B1; JPH03151934A

Description

Bei jedem Elektrokardiogramm-Überwachungsgerät (EKG) ist die Erfassung und Charakterisierung jedes einzelnen Herzschlages, der in dem EKG-Signal vorliegt, ein wichtiges Merkmal. Diese Informationen werden dann verwendet, um sowohl Pulsfrequenzinformationen als auch Warnungen bei lebensbedrohenden Situationen zu erzeugen. Das Überwachen eines EKG-Signals eines Patienten mit einem Schrittmacher ist schwierig, da Schrittmacherimpulse, die von dem Schrittmacher erzeugt werden, zu jeder Zeit auftreten können. Wenn dieselben zwischen QRS-Komplexen auftreten, können sie von einem QRS-Detektor falsch erfaßt werden und haben eine falsche hohe Pulsfrequenzmessung zur Folge. Wenn sie während eines QRS- Komplexes auftreten, können sie eine falsche Merkmalsmessung bewirken und haben eine fehlerhafte QRS-Klassifizierung zur Folge. Insbesondere ist die Erfassung einer Asystolie notwendig, um Schwestern vor dem Stillstand der Herzaktivität zu warnen, der durch das Fehlen des QRS-Komplexes in dem EKG-Signal angezeigt wird. In dem Falle von Patienten mit Schrittmachern weist das EKG-Signal jedoch selbst nach einer Asystolie periodisch auftretende Schrittmacherimpulse auf, die einer Herzaktivität gleichen. Das Vorliegen von Schrittmacherimpulsen in einem EKG-Signal macht es schwierig, solche Asystolie-Bedingungen zu erfassen.
Ein typischer Schrittmacherimpuls besteht aus zwei Komponenten, einem Hauptimpuls und einem Repolarisations-Impuls. Der Hauptimpuls, der verwendet wird, um das Herz zu stimulieren, ist durch seine schmale Breite, einen scharfen Anstieg und Abfall und eine große Veränderung der Amplitude charakterisiert. Die tatsächliche Form des Schrittmacherimpulses hängt von dem Ausgangskoppelentwurf des Schrittmachers ab. Der Repolarisations-Impuls, der manchmal als ein Schrittmacherimpulsende bezeichnet wird, ist verwendet, um die kapazitive Kopplung zu erschöpfen, die durch die Lieferung der Schrittmacherimpulsladung, die sich zwischen dem Herz und dem Schrittmacher aufbaut, erzeugt wird. Die Form und die Größe des Schrittmacherimpulsendes ist eine Funktion des Energieinhalts des Schrittmacherimpulses und des Betrags der kapazitiven Kopplung. Zusätzlich zu der Repolarisation kann eine Bandpaßfilterung in dem Überwachungsgerät ein "Schrittmacherimpulsende" erzeugen.
Zwei Beispiele von Schrittmacherimpulssignalen, die auf dem Oberflächen-EKG aufgezeichnet sind, sind in den Fig. 1A und 1B gezeigt. Fig. 1A ist ein Schrittinacherimpuls mit einem kleinen Repolarisationssende, wohingegen Fig. 1B eine großes Repolarisationsende zeigt, das durch das Schrittmachersystem erzeugt ist. Wie in den Fig. 1C und 1D gezeigt ist, zeigen beide Schrittmacherimpulse nach der Bandpaßfilterung signifikante Repolarisationsenden.
Es wurde herausgefunden, daß es hilfreich ist, um EKG-Signale genauer zu überwachen, die Schrittmacherimpulssignale zu beseitigen. Eine solche Beseitigung erfordert es, daß die Schrittmacherimpulse zuerst identifiziert werden. Das Verfahren des Identifizierens von Schrittmacherimpulsen kann die Technik verwenden, die im U.S. Patent Nummer 4,664,116 offenbart und durch Bezugnahme aufgenommen ist; bei dieser werden Schrittmacherimpulse durch die Existenz von Hochfrequenz-"Spitzen" mit einer schmalen Breite und einer scharfen Anstiegszeit identifiziert, die eine minimale dynamische Rauschschwelle überschreitet.
Zusätzliche Hardware und Software können verwendet werden, um erfaßte Schrittmacherimpulse zu entfernen (Fig. 3). Insbesondere ist eine Technik im U.S. Patent Nummer 4,832,041 beschrieben, bei der Werte des EKG-Signals, die sich in einem Fenster befinden, das den Schrittmacherimpuls enthält, durch Austauschwerte ersetzt werden, die eine Interpolation der ausgewählten Werte des EKG-Signals sind. Die Austauschwerte bilden eine Linie, die derjenigen sehr nahe kommt, die das EKG-Signal sein würde, wenn kein Schrittinacherimpuls aufgetreten wäre. Dieser Algorithmus ist jedoch nicht dazu entwickelt, die Schrittmacherimpulsenden zu beseitigen. Fig. 2A zeigt Schrittmacherimpulssignale mit dem Schrittmacher impulsende und Fig. 2B zeigt das Schrittmacherimpulsende, nachdem die Schrittmacherimpulsspitzen unter Verwendung der oben genannten Technik entfernt wurden. Ungünstigerweise kann die verbleibende Energie des Schrittmacherimpulsendes fälschlicherweise wie ein QRS-Komplex erfaßt werden. Dies kann die Fehldiagnose des darunterliegenden EKG-Rhythmusses des Patienten bewirken und eine falsche Erfassung einer Asystolie-Bedingung zur Folge haben.
Die EP-A-105784 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung, die es ermöglichen, die QRS-Komplexe zu erfassen, ohne durch die Repolarisation gestört zu werden. Dies basiert darauf, daß herausgefunden wurde, daß die Repolarisation sich in einer im wesentlichen logarithmischen Art mit der Zeit ändert. Das Signal, das das Elektrodenpotential in einem Leerlauf darstellt, wird in ein Signal umgewandelt, dessen Veränderung mit der Zeit im wesentlichen linear ist. Die nicht-lineare Komponente dieses letzteren Signals wird erfaßt: sie stellt das Signal dar, das durch die angeregte Kontraktion des Herzens erzeugt wird.
Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zum Unterscheiden von Schrittmacherimpulsenden von wahren QRS- Komplexen in den Signalformen eines EKG-Signals zu schaffen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß dieser Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, ist ein Verfahren beschrieben, mit dem ein durch einen Schrittmacher verändertes EKG-Signal analysiert werden kann, um Schrittmacherimpulsenden von QRS-Komplexen zu unterscheiden. Schrittmacherimpulsenden weisen tendenziell eine exponentielle Abnahme auf, die aufgrund der kapazitiven Entladung der Impulsenergie, die durch den Schrittmacherimpuls geliefert wird, auftritt. Im Gegensatz dazu enthalten normale QRS-Komplexe, die von Herzmuskelkontraktionen erzeugt werden, keine exponentiell abnehmenden Segmente. Durch ein erstes Lokalisieren der Spitze des möglichen Schrittmacherimpulsendes und das Bestimmen, ob das Signal, das der Spitze folgt, exponentiell abnimmt, ist es möglich, Schrittmacherimpulssignalenden zu identifizieren und dieselben von QRS- Komplexen zu unterscheiden.
Da Schrittmacherimpulsenden Schrittmacherimpulsen folgen müssen, kann ein erfaßtes Signal kein Schrittmacherimpulsende sein, wenn ihm kein Schrittmacherimpuls vorausgeht. Ein Schrittmacherimpulsdetektor kann verwendet werden, um Schrittmacherimpulssignale zu lokalisieren, und ein QRS-Detektor, der die EKG-Signalamplitude mit einer dynamischen Schwelle vergleicht, kann verwendet werden, um potentielle QRS-Komplexe zu lokalisieren. Durch Vergleichen der relativen Orte des Schrittmacherimpulses und des möglichen QRS- Komplexes kann eine Entscheidung getroffen werden, ob das Signal voraussichtlich ein Schrittmacherimpulsende ist. Wenn das der Fall ist, muß eine zusätzliche Analyse durchgeführt werden, bevor das Signal als ein Schrittmacherimpulsende unterschieden werden kann.
Die Erfindung unterscheidet Schrittmacherimpulsenden als die Signale, die einem Schrittmacherimpulssignal folgen und eine exponentielle Abnahme aufweisen. Um zu bestimmen, ob ein Signal eine exponentielle Abnahme aufweist, können mehrere Techniken verwendet werden. Z.B. kann ein Signal mit einer exponentiellen Abnahme identifiziert werden, indem das Verhältnis der augenblicklichen Steigung zu der Amplitude bei einer Reihe von Abtastwerten entlang des Signals, das der Spitze des Schrittmacherimpulsendes folgt, berechnet wird. Wenn dieses Verhältnis für eine vorbestimmte Zeitdauer näherungsweise eine Konstante ist, muß das Signal exponentiell abnehmen.
Um die Genauigkeit der Steigungs- und Amplituden-Messungen zu erhöhen, schließt die Erfindung ferner eine Technik zum Berechnen der Asymptote des Schrittmacherimpulsendes ein. Eine anfängliche Basislinie wird als der Punkt berechnet, der der Spitze des Schrittmacherimpulsendes vorangeht, bei dem die Steigung des erfaßten Signals minimal ist. Ein zusätzlicher Korrekturterm kann ferner verwendet werden, um den Betrag des Unterschreitung des Schrittmacherimpulsendes aufgrund der Mittelungs-Wirkung des Hochpaßfilters zu kompensieren. Ausgehend von dieser berechneten Asymptote ist es möglich, realistischere Amplitudenmessungen zu erhalten.
Eine Schwellenregion über und unter der Asymptote kann verwendet werden, um die Identifizierung des Schrittmacher impulsendes zu unterstützen. Unter Verwendung dieser Region können mehrere Fälle, die für eine exponentiell abnehmende Signalform uncharakteristisch sind, definiert werden, die nicht als ein Schrittmacherimpulsende identifiziert werden. Dieselben sind: 1) Signale, die diese Region zu nahe an der Spitze betreten, 2) Signale, die diese Region betreten und darauffolgend die Region verlassen, und 3) Signale, die diese Region durchkreuzen.
Das Vorliegen eines 50/60 Herz-Leistungsleitungsrauschen kann die Genauigkeit der Amplituden- und Steigungs-Messungen ebenfalls beeinflussen. Die Erfindung umfaßt ferner eine Technik zum Erfassen und Beseitigen dieses Rauschens. Wenn die Zahl der Vorzeichenwechsel der Differenz mehrerer aufeinanderfolgender Abtastwerte eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, ist es möglich, das Vorliegen eines 50/60 Herz-Rauschens in dem EKG-Signal zu bestimmen. Das 50/60 Herz-Rauschen kann durch Mittelung des Signals über mehrere aufeinanderfolgende Abtastwerte beseitigt werden.
Zusätzlich zu der vorher genannten Technik zum Identifizieren eines EKG-Signals mit einer exponentiellen Abnahme kann eine weitere Technik verwendet werden, um Signale mit einer exponentiellen Abnahme zu identifizieren, indem das EKG-Signal an zwei bekannte exponentiell abnehmende Kurven angepaßt wird. Die Zeitkonstante der Kurven kann eine durchschnittliche Zeitkonstante für bekannte Schrittmacherimpulsenden sein. Die Spitze jeder Kurve ist um eine Konstante von der Spitze des Signals versetzt. Durch Vergleichen der Abtastwerte des Signals mit den zwei Kurven ist es möglich, zu bestimmen, ob das Signal durch die zwei Kurven begrenzt ist. Signale, die durch zwei bekannte exponentiell abfallende Kurven begrenzt sind, können eindeutig als exponentiell abfallend identifiziert werden.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Schrittmacherimpulssignal, das auf der Körperoberfläche des Patienten gemessen wurde, mit einem minimalen Repolarisationsende, während Fig. 1C das gleiche Signal mit Enden zeigt, die durch die Bandpaßfilterung in dem Krankenbettmonitor eingeführt sind.
Fig. 18 ist ein Schrittmacherimpulssignal, das auf der Körperoberf läche des Patienten gemessen wurde, mit Repolarisationsenden, die durch das Schrittmachersystem erzeugt wurden, während Fig. 1D das gleiche Signal nach der Bandpaßfilterung im Krankenbettmonitor zeigt.
Fig. 2A stellt ein Schrittmacherimpulssignal mit einem Schrittmacherimpulsende dar und Fig. 2B stellt das zurückbleibende Schrittmacherimpulsende dar, nachdem der Schrittmacherimpuls beseitigt wurde.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm des bekannten Geräts, das zum Identifizieren und Beseitigen von Schrittmacherimpulsen verwendet wird.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das eine Kurvenanpassungstechnik zum Identifizieren eines Schrittmacherimpulsendes zeigt.
Fig. 5 ist eine algebraische und graphische Darstellung eines Schrittmacherimpulses und eines dazugehörigen exponentiell abfallenden Endes der Amplitude A.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das ein Schrittmacherimpulsende mit einer Basislinie B und einer Unterschreitung C zeigt.
Fig. 7 zeigt die Beziehung der Asymptote zu der Basislinie und dem Spitzensignalwert.
Fig. 8 ist ein Diagramm, das eine exponentiell abfallende Signalform zeigt, die eine Schwellenregion betritt.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das zeigt, wie die Schwellenregion berechnet wird.
Fig. 10 ist ein Diagramm, das die Wirkungen eines 50/60- Herz-Rauschens auf eine exponentiell abfallende Signalform zeigt.
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm, das das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Fig. 12 ist ein Flußdiagramm, das die Verfahrensschritte zum Identifizieren der Spitze eines Schrittmacherimpulsendes darlegt.
Fig. 13 ist ein Flußdiagramm, das die Verfahrensschritte zum Berechnen des Asymptote darlegt.
Fig. 14 ist ein Flußdiagramm, das die Verfahrensschritte des Durchführens einer Schwellenberechnung darlegt.
Fig. 15 ist ein Flußdiagramm, das die Verfahrensschritte zum Erfassen eines 50/60-Herz-Rauschens darlegt.
Fig. 16 ist ein Flußdiagramm, das die Verfahrensschritte zum Beseitigen des 50/60-Herz-Rauschens darlegt.
Fig. 17 ist ein Flußdiagramm, das die Verfahrensschritte des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung zum Unterscheiden von Schrittmacherimpulsenden darlegt.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden Schrittmacherimpulsenden, die von Schrittmacherimpulssignalen erzeugt werden, von wahren QRS-Komplexen unterschieden, indem mathematisch festgestellt wird, ob das Signal, das der Schrittmacherimpulsspitze folgt, eine exponentielle Abnahme aufweist. Zusätzlich können mehrere weitere Kriterien verwendet werden, die Schrittmacherimpulsenden anzeigen, um zu identifizieren, ob ein Signal eine exponentielle Abnahme aufweist. Die Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels beginnt mit dem sowohl graphischen als auch algebraischen Darstellen einer exponentiell abnehmenden Signalform. Es ist möglich, die erfindungsgemäße Technik zum Bestimmen, ob die Signalform exponentiell abnimmt, ausgehend von einer mathematischen Gleichung darzustellen. Zusätzliche Faktoren, wie z.B. Veränderungen der Signalform-Basislinie, das Konzept einer Schwellenregion und eine 50/60-Herz-Rausch-Erfassung und -Beseitigung sind sowohl graphisch als auch algebraisch dargestellt.
Als nächstes werden das Verfahren und die Vorrichtung des bevorzugten Ausführungsbeispiels offenbart, insbesondere die allgemeine Operation des Schrittmacherimpulsenden-Spitzendetektors, der Asymptoten-Berechnungsvorrichtung, die Schwellenberechnung und die 50/60-Herz-Rausch-Erfassung und Beseitigung. Schließlich wird die Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels mit einer Beschreibung des Verfahrens zum Unterscheiden von Schrittmacherimpulsenden abgeschlossen.

I. Algebraische und grahische Darstellung

Fig. 5 zeigt einen Schrittmacherimpuls und die entsprechende exponentiell abnehmende Signalform V mit einer Amplitude A und einer Zeitkonstante T. Diese Signalform ist auch durch Gleichung 1.0 dargestellt. Die Ableitung, oder die augenblickliche Änderungsrate der Signalform, ergibt das gleiche exponentiell abnehmende Signal, jedoch um die negative Zeitkonstante T gedämpft, wie in Gleichung 2.0 gezeigt ist. Das Verhältnis der Ableitung des Signals V zu dem Signal selbst ergibt eine negative Konstante, die äquivalent zu der Zeitkonstante der exponentiell abnehmenden Signalform ist, wie in Gleichung 3.0 gezeigt ist. Die Beziehung, die in Gleichung 3.0 gezeigt ist, wird bei dieser Erfindung verwendet, um das Vorliegen eines Schrittmacherimpulsendes zu identifizieren.
V = A exp[-Tt] (1.0)
dV/dt = - TA exp[-Tt) = -TV (2.0)
(dV/dt)/V = -T (3.0)
In Wirklichkeit verzerren das Vorliegen eines Basislinienversatzes und die Hochpaßfilterung das EKG-Signal. Eine genauere Darstellung des Schrittmacherimpulses ist in Fig. 6 gezeigt, bei der zwei zusätzliche Komponenten B und C gezeigt sind. Der Parameter B stellt den Basislinienversatz dar, der nicht durch das Hochpaßfilter beseitigt ist. Der Parameter C stellt die Asymptote oder den endgültigen Ruhepunkt der exponentiell abnehmenden Signalform dar. Dieses Unterschreiten der exponentiellen Signalform tritt aufgrund des Mittelungseffektes des Hochpaßfilters von der großen Schrittmacherimpulsspitze auf. Mathematisch kann die exponentiell abnehmende Signalform, die in Fig. 6 gezeigt ist, durch die Gleichung 4.0 modelliert werden. Die Ableitung von V ist eine Funktion der Zeitkonstante T, des Versatzes C und von V, wie in Gleichung 5.0 gegeben ist. Das Verhältnis der Ableitung des Signals zu dem Signal selbst, das in Gleichung 6.0 gegeben ist, ist nicht länger eine einfache negative Konstante, wie in Gleichung 3.0 gezeigt ist. Um die Beziehung, die in Gleichung 3.0 gegeben ist, für eine Schrittmacherimpulsenden-Unterscheidung zu nutzen, muß der Versatz C berechnet werden.
V = (A + B + C) exp [-Tt) - C (4.0)
dV/dt = - T(A + B + C) exp [-Tt) = -T(V + C) (5.0)
(dV/dt)/V = -T(1 + C/V) (6.0)
Fig. 7 zeigt, wie die Asymptote berechnet werden kann. Zuerst wird eine anfängliche Basislinienberechnung durch Lokalisieren des Punktes tB, an dem die Steigung in einem vordef inierten Suchf enster minimal ist, bestimmt. Das Suchfenster, das unmittelbar vor der Spitze des Schrittmacherimpulsendes bei tR gelegen ist, ist 80 Millisekunden breit, was bei einer Abtastrate von 125 Abtastwerten pro Sekunde 10 Datenabtastwerten entspricht. Mathematisch wird die Basislinienberechnung wie folgt dargestellt:
= V(tB) (7.0)
wobei: tB = ARG [MIN {ABS[V(t) - V(t-1)], t e[tR-10, tR]}] (8.0)
Die endgültige Asymptotenberechnung , wie in Gleichung 9.0 gezeigt ist, ist die Summe der anfänglichen Basislinienberechnung plus einem Korrekturterm.
= V(tB) - 1/8[V(tspitze) - V(tB)] (9.0)
Der Korrekturterm wird verwendet, um den Unterschreitungsbetrag der exponentiellen Signalform zu berechnen. Dies stellt sicher, daß die Basislinie relativ zu der Asymptote des exponentiellen Signals ordnungsgemäß positioniert ist. Ein Korrekturwert von einem Achtel der eingestellten Spitzenamplitude, was die Differenz der Spitzenamplitude V(tSpitze) und der anfänglichen Basislinienberechnung V(tB) ist, wurde empirisch bestimmt, um die genaueste Berechnung zu liefern.
Fig. 8 zeigt den Aufbau einer Schwellenregion um die Asymptote des Schrittmacherimpulsendes. Diese Region, die um die Asymptote zentriert ist, ist zwischen + Delta und - Delta begrenzt. Die Schwelle Delta wird in Gleichung 10.0 berechnet und ist in Fig. 9 dargestellt. Der Wert von Delta liegt zwischen einem minimalen Wert von acht und einem maximalen Wert von vierundsechzig, wobei beide empirisch bestimmt werden. Innerhalb dieser Grenzen ist der Wert von Delta direkt proportional zu der eingestellten Spitzenamplitude und dem Schrittmacherimpulsende.
Delta = MIN { 64, MAX[3/32 [V(tSpitze) - ], 8} (10.0)
Sobald ein Signal diese Region betritt, muß es die Beziehung, die in Gleichung 3.0 gegeben ist, nicht erfüllen, um als ein exponentiell abfallendes Signal betrachtet zu werden, solange das Signal in dieser Region bleibt.
Wenn das Signal ein beliebiges Leistungsleitungsrauschen beinhaltet, kann dasselbe als ein zusätzliches sinusförmiges Signal dargestellt werden, wie in Gleichung 11.0 gezeigt und in Fig. 10 dargestellt ist. Das Verhältnis der Ableitung zu der Signalamplitude V (die in den Gleichungen 12.0 und 13.0 gezeigt sind) ist nicht konstant. Es ist daher offensichtlich, daß der Erfolg der erfindungsgemäßen Technik durch das Beseitigen jedes Leistungsleitungsrauschens verbessert wird.
V = A exp [-Tt] + F sin (wt) (11.0)
dV/dt = TA exp [-Tt] + Fw cos (wt) (12.0)
(dV/dt)/V = -T + (F/V) [T sin (wt) + w cos (wc)] (13.0)

II. Verfahren und Vorrichtung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Das Blockdiagramm von Fig. 11 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zum Unterscheiden von Schrittmacherimpulsenden. Um Schrittmacherimpulsenden zu identifizieren, wird zuerst das entsprechende Schrittmacherimpulssignal lokalisiert. Obwohl das Schrittmacherimpulssignal nicht beseitigt werden muß, kann die Schrittmacherimpulsenden-Unterscheidung durch eine derartige Beseitigung verbessert werden.
In dieser Hinsicht sind das bekannte Verfahren und die Vorrichtung, die in Fig. 3 hervorgehoben sind, verwendet. Insbesondere ist ein Bandpaßfilter 10 verwendet, um ungewollte Signale aufgrund einer Basislinienwanderung und aufgrund von Hochfrequenz-Muskelartefakten zu beseitigen. Ein A/D-Wandler ist verwendet, um das gefilterte EKG-Signal mit einer Rate von 500 Abtastwerten pro Sekunde zu digitalisieren und abzutasten. Während das Bandpaßfilter ungewollte Signale beseitigt, kann es ferner exponentiell abfallende Enden, die den Schrittmacherimpulsen zuzuschreiben sind, erzeugen. Parallel zu dem Bandpaßfilter 10 existiert ein Schrittmacherimpulsdetektor 30 und ein weiterer A/D-Wandler 40, die verwendet werden, um den Schrittmacherimpuls zu lokalisieren und ein entsprechendes Aktivierungssignal 45 zu erzeugen, das verwendet wird, um eine Schrittmacherimpuls-Beseitigungsvorrichtung 50 zu synchronisieren. Die Schrittmacherimpuls-Beseitigungsvorrichtung 50, die im U.S. Patent Nummer 4,832,041 beschrieben ist, empfängt das gefilterte und digitalisierte EKG-Signal und beseitigt den Schrittmacherimpuls. Die Beseitigung des Schrittmacherimpulses hat eine Lücke zur Folge, die gebildet wird, die dort durch das Approximieren einer Linie "gefüllt" wird, wo sich der Schrittmacherimpuls gewöhnlich befindet. Ein QRS-Detektor 60 ist mit dem Ausgang der Schrittmacherimpuls-Beseitigungsvorrichtung 50 gekoppelt, um das Vorliegen von QRS-Komplexen zu erfassen, nachdem die Schrittmacherimpulse entfernt wurden. Die EKG-Abtastwerte, die von dem QRS-Detektor verwendet werden, sind 125 Abtastwerte pro Sekunde.
Die vorliegende Erfindung ist in der Schrittmacherimpulsenden-Sperrvorrichtung 70 verkörpert, die mit den Ausgängen des A/D-Wandlers 40 und des QRS-Detektors 60 verbunden ist. Folglich ist die Eingabe zu der Schrittmacherimpulsenden- Sperrvorrichtung 70 die EKG-Signalform von der Schrittmacherimpuls-Beseitigungsvorrichtung. Der Schrittmacherimpulsdetektor 30 liefert ein Aktivierungssignal, das das Vorliegen eines Schrittmacherimpulses anzeigt. Der allgemeine Betrieb der Schrittmacherimpulsenden-Sperrvorrichtung 70 ist funktionell in dem Blockdiagramm, das in Fig. 11 dargestellt ist, gezeigt. Die folgenden Flußdiagramme entsprechen jedem Block in dem Diagramm; Fig. 12 - Schrittmacherimpulsenden- Spitzendetektor, Fig. 13 - Asymptoten-Berechnungsvorrichtung, Fig. 14 - Schwellenberechnung, Fig. 15 und Fig. 16 -50/60-Herz-Rausch-Detektor und -Filter, und Fig. 17 - Schrittmacherimpulsenden-Identifikation. Der erste Schritt beim Feststellen, ob die Ausgabe des QRS-Detektors 60 ein Schrittmacherimpulsende ist, ist in Fig. 11 dargestellt, wobei eine Entscheidung getroffen werden muß, um zu sehen, ob dem Signal ein Schrittmacherimpuls (D1) vorangeht. Wenn es in einem vorbestimmten Abstand des potentiellen QRS-Komplexes keinen Schrittmacherimpuls gibt, kann dieses Signal nicht als ein Schrittmacherimpulsende identifiziert werden.
Wenn das Signal zu einem Schrittmacherimpuls gehört, wird die Spitze des Schrittmacherimpulsendes lokalisiert (F 12), wobei die Technik verwendet wird, die in Fig. 12 dargelegt ist. Insbesondere werden ein Signalmaximum (Vmax) und ein Signalminimum (Vmin) über eine vorbestimmte Periode bestimmt (bei 26,28 und D3). Wenn Vmax größer als 3/4 mal Vmin ist, ist Vmax die Spitze des Schrittmacherimpulsendes (bei D8 und 34). Wenn Vmin größer als 3/4 mal Vmax ist, ist Vmin die Spitze des Schrittmacherimpulsendes (bei D9 und 32). Wenn Tmax gleich Tmin ist, sind keine Spitzen gefunden.
Der nächste Schritt in dem Verfahren, das im Blockdiagramm von Fig. 11 dargelegt ist, besteht darin, eine Asymptotenberechnung (F13) durchzuführen. Das Flußdiagramm von Fig. 13 zeigt, wie die Asymptote berechnet wird. Empirische Studien haben gezeigt, daß eine genaue Berechnung der Asymptote gemäß folgender Formel erfolgt:
ASYMP = V(tB) - 1/8 [V(tSpitze) - V (tB)]
wobei V(tB) die anfängliche Basislinienberechnung, die in den Gleichungen 7.0 und 8.0 gegeben ist, ist und V(tSpitze) das Spitzensignal ist, das unter Verwendung der Technik, die in Fig. 12 dargestellt ist, bestimmt wurde.
Auf jeder Seite der berechneten Asymptote wird eine Schwellenregion eingerichtet. Die Art und Weise, auf die das abnehmende Signal diese Region betritt und sie möglicherweise kreuzt, ist wichtig für die Klassifizierung. Wenn ein EKG- Signal die Schwellenregion z.B. zu schnell betritt, oder wenn sie dieselbe betritt und wieder verläßt oder wenn sie dieselbe betritt und direkt durchquert, wird das Signal nicht als ein Schrittmacherimpulsende identifiziert, da dies für ein exponentiell abnehmendes Signal, das sich kontinuierlich der Asymptote nähert, nicht charakteristisch ist. Wie in Fig. 11 dargelegt ist, wird die Schwellenberechnung nach der Asymptotenberechnung und vor der Identifikation des Schrittmacherimpulsendes durchgeführt.
Das Flußdiagramm von Fig. 14 zeigt, wie die Schwelle unter Verwendung der Formel, die in Gleichung 10.0 gegeben ist, berechnet wird.
Das Vorliegen eines Rauschens kann die Fähigkeit der Erf indung beeinflussen, Schrittmacherimpulsenden genau zu unterscheiden. Insbesondere wurde herausgefunden, daß ein 50/60- Herz-Rauschen fehlerhafte Steigungsmessungen bewirkt. Das Flußdiagramm von Fig. 15 hebt hervor, wie dieses Rauschen erfaßt werden kann. Um das Vorliegen dieses Rauschens zu erfassen, werden die Differenzen aufeinanderfolgender Abtastwerte des EKG-Signals, näherungsweise 200 Millisekunden bis 40 Millisekunden vor der Detektorspitze, verglichen. Die Zahl der Vorzeichenwechsel dieser Differenzen wird gezählt und als eine Berechnung der Anzahl der Rauschzyklen, die in dem Fenster enthalten sind, verwendet. Wenn die Anzahl der Zyklen in einem Fenster von 160 Millisekunden größer als 5 ist, liegt ein 50/60-Zyklus-Rauschen vor.
Das Flußdiagramm von Fig. 16 hebt hervor, wie dieses Rauschen beseitigt werden kann. Um das 50/60-Herz-Rauschen zu beseitigen, wird ein Filterungs-"Fenster" von vier aufeinanderfolgenden Punkten verwendet, um die mittlere Amplitude der Reihe der Abtastwerte zu berechnen. Sobald ein Wert bestimmt wurde, wird das Fenster um Eins verschoben und vier Amplitudenwerte in dem Fenster werden gemittelt, wodurch ein zweiter gemittelter Amplitudenwert geliefert wird. Dieses Verfahren wird für 25 Abtastwerte fortgesetzt, worauf das Verfahren ein zweites mal wiederholt wird, um sicherzustellen, daß das 50/60-Herz-Rauschen beseitigt ist.

III: Verfahren zum Unterscheiden von Schrittmacherimpulsenden

Das bevorzugte Verfahren zum Feststellen, ob ein Signal eine exponentielle Abnahme besitzt, ist in dem Flußdiagramm von Fig. 17 dargelegt. Bei dem Bestimmen, ob das Signal exponentiell abnimmt, werden Verhältnisse der augenblicklichen Steigung zu der Amplitude einer Reihe von EKG-Signalabtastwerten berechnet. Eine exponentielle Signalform wird identifiziert, wenn dieses Verhältnis für jeden Abtastwert das gleiche ist. Es sollte bemerkt werden, daß keine einzelne Konstante gewählt werden kann, um alle Typen von Schrittmacherimpulsenden darzustellen. Deshalb wird ein beliebiges Verhältnis, das in einen kleinen vorbestimmten Bereich negativer Werte fällt, mit einer exponentiell abnehmenden Signalform verknüpft. Verhältnisse mit einem positiven Wert zeigen eine Abweichung von der exponentiellen Signalform-Gestalt ab, es sei denn, sie treten in einer kurzen Periode ausgehend vom Beginn des Fensters auf, oder das EKG-Signal ist in der Nähe der Asymptote, wobei es an diesem Punkt sehr anfällig gegenüber Rauschen ist.
Wie in dem Flußdiagramm von Fig. 17 dargelegt ist, verwendet das bevorzugte Ausführungsbeispiel ein Suchfenster von 35 Abtastwerten, die der Spitze der exponentiellen Signalform folgen, um zu bestimmen, ob das EKG-Signal exponentiell abnimmt. Vor dem Durchführen der Verhältnisanalyse, können Vorfälle auftreten, die für eine exponentiell abnehmende Signalform nicht charakteristisch sind und den Bedarf nach einer solchen Analyse beseitigen. Insbesondere wenn die EKG- Signalamplitude kleiner ist als der Schwellenwert in zehn Abtastwerten der Signalformspitze (bei D30, "N< TSpitze+10"), kann das EKG-Signal nicht als ein Schrittmacherimpulsende identifiziert werden, da dasselbe schneller "abnahm" als eine typische exponentiell abnehmende Signalform.
Andererseits wird eine Flag gesetzt (bei 86, "Setze Flag"), wenn sie sich außerhalb des Fensters der 10 Abtastwerte befindet, die anzeigt, daß dieser spezielle Abtastwert gegenwärtig in der Schwelle ist und der nächste Abtastwert analysiert werden kann (bei 94, "D=D+1"). Wenn andererseits die Amplitude größer als der Schwellenwert ist (Entscheidung Punkt D28), muß vor der Verhältnisanalyse der Spannungspegel überprüft werden, um zu sehen, ob sie den Schwellenwert auf der anderen Seite durchkreuzt hat (Entscheidung Punkt D32). Dies ist für eine exponentiell abnehmende Signalform nicht charakteristisch und sollte daher nicht als ein Schrittmacherimpulsende identifiziert werden. Wenn das EKG-Signal die Schwelle nicht durchkreuzt hat, die Flag jedoch gesetzt ist (Entscheidung Punkt D34), was anzeigt, daß das EKG-Signal auf einem vorherigen Abtastwert die Schwellenregion schon betreten hat, sollte das Signal nicht als ein Schrittmacherimpulsende identifiziert werden. Dies ist richtig, da eine exponentielle Signalform, sobald sie in der Schwellenregion ist, in derselben bleiben muß.
Angenommen, die Flag ist nicht gesetzt, dann wird die Steigung an dem speziellen Punkt berechnet (bei 88, "DIFF = V(n)-V(n-1)). Als nächstes muß eine Entscheidung getroffen werden, ob das Vorzeichen der Steigung das gleiche ist, wie das Vorzeichen der Amplitude an dem Punkt (Entscheidung Punkt D36, "Sign[x(n)] = Sign (Delta)"). Im allgemeinen sollten die Vorzeichen immer verschieden sein, wenn nicht, ist das Signal entweder kein Schrittmacherimpulsende oder, wenn weniger als vier Abtastwerte genommen wurden (Entscheidung Punkt D40, "n(TSpitze + 4"), das Verfahren wurde bei einer falschen Signalspitze begonnen und der Zähler sollte initialisiert und das Verfahren neu begonnen werden (bei 90, "D = 0").
Angenommen, daß die Amplitude und die Steigung das gleiche Vorzeichen haben und das Verhältnis der Amplitude und der Steigung größer als Null und kleiner als vierundsechzig ist (Entscheidung Punkt D38), dann wird das Kriterium für einen Punkt auf einer exponentiellen Signalform erfüllt und der Zähler wird um Eins erhöht (bei 94, "D=D+1"). Wenn die Gesamtzahl größer oder gleich fünfundzwanzig ist (Entscheidung Punkt D42), was anzeigt, daß das Verhältnis der Amplitude und der Steigung für zumindest fünfundzwanzig Punkte kleiner als vierundsechzig war, wird das Signal als ein Schrittmacherimpulsende identifiziert (bei 96). Wenn die Gesamtzahl nicht gleich fünfundzwanzig ist, wird N um Eins erhöht (bei 84, N = N+1) und der nächste Abtastwert wird analysiert.
Obwohl durch das vorhergehende Schrittmacherimpulsende- Sperrverfahren und die Vorrichtung die besten Ergebnisse erhalten werden, können Änderungen und Modifikationen der Erfindung, wie sie in den speziell beschriebenen Ausführungsbeispielen dargelegt sind, durchgeführt werden. Z.B. ist die Kurvenanpassungstechnik, die in der Zusammenfassung beschrieben ist, ein weiteres annehmbares Verfahren zum Bestimmen, ob ein Signal exponentiell abnimmt oder nicht.

Claims

1. Ein Verfahren zum Unterscheiden von Schrittmacherimpulsenden aufgrund einer Repolarisation, d.h. der Akkumulation von Ionen an der Grenzfläche zwischen dem Herz und dem Schrittmacher, von wahren QRS-Komplexen aufgrund von Herzmuskelkontraktionen in einem EKG-Signal, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

- Lokalisieren der Spitze des potentiellen Schrittmacherimpulsendes;

- Erfassen des Signals, das der Spitze folgt;

- Bestimmen, ob das erfaßte Signal exponentiell abnimmt; und

- Unterscheiden des erfaßten Signals als ein Schrittmacherimpulsende, wenn es exponentiell abnimmt.

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Verfahrensschritt des Bestimmens, ob das erfaßte Signal exponentiell abnimmt, ferner folgende Schritte aufweist:

- Berechnen der augenblicklichen Steigung des erfaßten Signals an einer Reihe von Abtastpunkten, die der Spitze folgen;

- Dividieren der Steigung des erfaßten Signals durch die Signalamplitude an jedem entsprechenden Abtastpunkt; und

- Identifizieren des erfaßten Signals als Signal mit einer exponentiellen Abnahme, wenn das Verhältnis an jedem Abtastpunkt in einem vorbestimmten Bereich ist.

3. Das Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das erfaßte Signal als ein Schrittmacherimpulsende identifiziert wird, wenn für eine Dauer von mindestens 200 Millisekunden nach der Spitze eine exponentielle Abnahme besteht, die der Spitze folgt.

4. Das Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der Verfahrensschritt des Identifizieren eines erfaßten Signals als ein Schrittmacherimpulsende ferner den Schritt des Berechnens einer Berechnung der Asymptote des Schrittmacherimpulsendes aufweist.

5. Das Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem die Asymptotenberechnung durch Verwenden einer anfänglichen Basislinienberechnung, die als die horizontale Linie definiert ist, die den Punkt durchläuft, der direkt vor der Spitze des Schrittmacherimpulsendes liegt und an dem die Steigung des erfaßten Signals minimal ist, und durch Subtrahieren eines zusätzlichen Einstellungswertes, der näherungsweise ein Achtel der Differenz zwischen der Spitze des Schrittmacherimpulsendes und der anfänglichen Basislinienberechnung entspricht, berechnet wird.

6. Das Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das Verfahren des Identifizierens eines erfaßten Signals als ein Schrittmacherimpulsende ferner den Schritt des Beseitigens eines 50/60-Herz-Rauschens von dem Eingangssignal aufweist.

7. Das Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem der Schritt des Beseitigens des 50/60-Herz-Rauschens ferner folgende Schritte aufweist:

- Identifizieren des Vorliegens eines 50/60-Herz-Rauschens, wenn die Zahl der Vorzeichenwechsel der Differenz von mehreren aufeinanderfolgenden Proben eine vorbestimmte Schwelle überschreitet; und

- Beseitigen des 50/60-Herz-Rauschens durch Mittelung der Amplitude einer Reihe von aufeinanderfolgenden Abtastwerten.

8. Das Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem eine begrenzte Schwellenregion über und unter der berechneten Asymptote eingerichtet wird, und bei dem Signale nicht als Schrittmacherimpulsenden identifiziert werden, wenn sie die begrenzte Region betreten und nachfolgend verlassen.

9. Das Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem Signale nicht als Schrittmacherimpulsende identifiziert werden, wenn sie innerhalb näherungsweise 80 Millisekunden ausgehend von der Schrittmacherimpulsspitze die Schwelle kreuzen.

10. Das Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Schwellenregion durch die Begrenzung zweier Linien eines Abstandes A von jeder Seite der berechneten Asymptote definiert ist, wobei A = 3/32 [V(tSpitze) - Asymptotenberechnung].

11. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Verfahrensschritt des Bestimmens, ob das erfaßte Signal exponentiell abnimmt, ferner folgende Schritte aufweist:

- Erzeugen zweier exponentieller Kurven gemäß:

Ae-T3t+F und Ae-T3t-F

wobei A gleich der Amplitude des erfaßten Signals ist, F eine Konstante ist und T&sub3; eine empirisch bestimmte Zeitkonstante ist, die dem Durchschnittswert der Zeitkonstanten für bekannte Schrittmacherimpulsenden entspricht;

- Vergleichen der Abtastwerte des erfaßten Signals und der erzeugten Kurven, um zu bestimmen, ob das erfaßte Signal durch die Kurven begrenzt ist;

- Identifizieren des erfaßten Signals als Signal mit einer exponentiellen Abnahme, wenn es durch die Kurven begrenzt ist.