DE69332004T2

DE69332004T2 - Detektor zur Detektion des Ereignisses ein lebendes Gewebe

Info

Publication number: DE69332004T2
Application number: DE69332004T
Authority: DE
Inventors: Kurt Hoegnelid; Ake Sivard
Original assignee: St Jude Medical AB
Current assignee: St Jude Medical AB
Priority date: 1992-12-03
Filing date: 1993-10-14
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2013-10-15
Also published as: DE69324891T2; JPH06205845A; SE9203642D0; EP0908136A3; DE69332004D1; US5458115A; EP0600200B1; EP0600200A1; EP0908136A2; EP0908136B1; DE69324891D1

Description

Diese Erfindung betrifft einen Detektor zum Abfühlen von Ereignissen in lebendem Gewebe gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
In Medical Instrumentation, Application and design; by J. Webster; Houghton Mifflin Comp. Boston, 1978: "Electromyogram Integrators", Seiten 314-316 wird ein Detektor zum Abfühlen von Ereignissen(EMG's)mit einem Komparator zum Vergleichen eines Eingangssignals mit einem Referenzwert beschrieben, wobei das Eingangssignal über ein vorbestimmtes Zeitintervall integriert wird.
In der US-A-4,041,953 ist ein Herzschrittmacher beschrieben, der Stimulationsimpulse an das Herz abgibt, wenn das Herz nicht spontan schlägt. Um spontane Ereignisse zu detektieren, werden die elektrischen Signale des Herzens abgefühlt, verstärkt und an einen Niveaudetektor gesendet, der abfühlt, ob die Amplitude des Herzsignals ein Detektionsniveau übersteigt. Es wird entschieden, daß ein spontaner Herzschlag aufgetreten ist, wenn die Amplitude das Detektionsniveau übersteigt, und die Abgabe eines Stimulationsimpulses wird inhibiert.
In der US-A-4,708,144 wird ein Herzschrittmacher beschrieben, der in ähnlicher Weise elektrische Signale des Herzens abfühlt und das Signal als spontane Herzaktivität interpretiert, wenn die Amplitude des Signals das Detektionsniveau übersteigt. Das Detektionsniveau wird automatisch justiert, indem der Spitzenwert der R-Welle in dem Herzsignal gemessen und ein Langzeitmittelwert berechnet wird. Das Detektionsniveau wird dann gemäß dem bestimmten Mittelwert eingestellt.
Ein Problem mit Amplitudendetektoren dieser Art besteht darin, daß das Meßsignal oft elektrische Störsignale von der Umgebung enthält. Bei dem Detektor in dem ,953 Herzschrittmacher muß der Arzt den Herzschrittmacher mit einem Detektionsniveau programmieren. Diese Prozedur wird normalerweise in einer Klinik unter ruhigen, störsignalfreien Bedingungen durchgeführt. Nachdem der Patient aber die Klinik verlassen hat, könnte der Detektor Störsignale von einer elektrische Störsignale aufweisenden Umgebung als spontane Herzsignale deuten. Der Herzschrittmacher würde dann inhibiert, wenn eigentlich ein Stimulationsimpuls notwendig wäre.
Dieses Problem wird teil eise dadurch gelöst, daß das Detektionsniveau wie in dem '144 Herzschrittmacher eingestellt wird. Die Beziehung zwischen dem Detektionsniveau und dem Mittelwert des Spitzenwertes der R-Wellen ergibt eine gewisse Anpassung des von der Elektrode aufgenommenen, Störsignale enthaltenden Signals. Die Mittelwertbildung erfolgt über einen relativ langen Zeitraum, d. h. über mindestens mehrere Minuten. Als eine Folge davon dauert die Anpassung nach jedem Wechsel von einer störsignalfreien zu einer Störsignale aufweisenden Umgebung einige Minuten. Während dieser Zeitspanne können Störsignale als spontane Herzschläge gedeutet werden oder einige spontane Herzschläge könnten übersehen werden. Zusätzlich müssen die Störsignale eine andere Frequenz haben als die Frequenz der spontanen Herzschläge, wenn das Detektionsniveau in der Lage sein soll, effektiv die Störsignale zu kompensieren, d. h. das Messen der R-Welle wird nicht helfen, wenn das Störsignal die gleiche Frequenz wie die Herzfrequenz hat.
Ein anderes Problem, das keiner der beiden Detektoren in Bezug auf die Herzsignale lösen kann, betrifft Fernfeldsignale, d. h. ein Ereignis (spontan oder stimuliert) in dem Ventrikel kann in dem Atrium mit einer Amplitude abgefühlt werden, die gleich der Amplitude eines echten Ereignisses in dem Atrium ist. Eine Fähigkeit, zwischen Signalen mit verschiedenen Ursprüngen zu unterscheiden, wäre in vielen Situationen nützlich.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Detektor zu schaffen, der die obengenannten Probleme vermeidet und der in der Lage ist, zuverlässig Ereignisse in lebendem Gewebe von Störsignalen zu unterscheiden.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Detektor zu schaffen, der automatisch das Detektionsniveau gemäß dem Niveau der Störsignale anpaßt.
Noch eine weiter Aufgabe der Erfindung ist es, einen Detektor zu schaffen, der automatisch das Ablaufen der Refraktärzeit, in der der Detektor keinerlei Signale abfühlt, an die aktuellen Störsignal- und Signalniveaus anpaßt.
Die erste Aufgabe wird mit einem Detektor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Die Integration, die vorzugsweise während eines Integrationsintervalls von 5 bis 50 ms erfolgt, ergibt als einen Entscheidungsparameter die Fläche der elektrischen Signale des Gewebes anstelle ihrer Amplitude. Für kurze Zeitdauern, die zu bis 10 Herzzyklen korrespondieren, erzeugt ein spontanes Ereignis im Prinzip die gleiche Fläche, Ereignis für Ereignis. Störsignale tragen zu der Fläche mit einem Wert bei, der über zwei aufeinanderfolgende Integrationsintervalle eher konstant ist. Der Effekt der Störsignale auf das Signal kann dann einfach identifiziert werden, da die Ereignisse in langen Intervallen verglichen zu dem Integrationsintervall auftreten. Ein Detektor dieser Art kann vorteilhafterweise zusammen mit einem Amplitudendetektor verwendet werden, um die Zuverlässigkeit der Entscheidung, ob ein Ereignis vorgelegen hat oder nicht, zu steigern.
Der Detektor weist weiterhin einen zweiten Integrator auf, der das elektrische Signal über ein längeres Integrationsintervall als der erste Integrator integriert, vorzugsweise 5 bis 20 mal länger, um ein zu dem aktuellen Störsignal korrespondierendes Kompensationssignal zu erzeugen, das zu der Steuervorrichtung gesendet wird, um das Eingangssignal oder das Detektionsniveau hinsichtlich des aktuellen Störsignals zu kompensieren.
Der Komparator vergleicht auch das Eingangssignal mit einem Schwellwert, der größer ist als das Detektionsniveau, wodurch ein Ereignis dann als aufgetreten beurteilt wird, wenn das Eingangssignal das Detektionsniveau überschreitet, ohne das Detektionsniveau während eines definierten ersten Intervalls zu überschreiten.
Da ein Intervall festgesetzt ist für die integrierte Fläche, in der sich das Eingangssignal für eine vorgegebene Zeitdauer befinden muß, damit ein Ereignis bestätigt wird, können starke, kurze Störsignale leicht von Ereignissen unterschieden werden.
Es ist vorteilhaft, wenn der Detektor einen Mittelwertbildner, der aus einer bestimmten Anzahl von Ereignissen den Mittelwert beziehungsweise Spitzenwert des Eingangssignals während eines zweiten definierten Intervalls bestimmt, nachdem das Eingangssignal das Detektionsniveau passiert hat, und eine Steuervorrichtung, die das Detektionsniveau und/oder den Schwellwert auf der Basis des Mittelwertes einstellt, aufweist.
Im Prinzip korrespondiert der Spitzenwert, nachdem das Eingangssignal das Detektionsniveau passiert hat, zu der maximalen Fläche in einem Ereignis. Daher ist die Bestimmung unabhängiger von der Störsignalfrequenz als bei dem oben in der US-A-4,708,144 beschriebenen Herzschrittmacher des Standes der Technik. Hier bildet der Mittelwertbildner einen normalen Wert für das Integral des Ereignisses und stellt das Detektions- und Schwellwertniveau auf dieser Basis ein.
Der Detektor kann so ausgebildet sein, daß die Steuervorrichtung das Detektionsniveau auf einen ersten definierten Teil des Mittelwertes und den Schwellwert auf den Mittelwert plus einen zweiten definierten Teil des Mittelwertes einstellt.
Da Ereignisse (z. B. die QRS-Welle des Herzens) chronologisch sehr kurz sind verglichen zu den Zeitdauern zwischen den Ereignissen und Störsignale als relativ konstant über kürzere Zeitdauern angesehen werden können, erzeugt die Integration über 50 bis 1000 ms einen Wert für das aktuelle Störsignalniveau. Wenn die Integrationsdauer im hinteren Teil des Intervalls liegt, sollte der Nadirwert für die letzte(n) Sekunde(n) als der Wert für das aktuelle Störsignalniveau verwendet werden. Dieser Wert wird als das Kompensationsssignal entweder für die direkte Kompensation des Eingangssignals oder für die Steuerung des Detektionsniveaus verwendet.
Hier ist es ein Vorteil, wenn die Steuervorrichtung das Detektionsniveau und/oder den Schwellwert entsprechend dem Mittelwert und dem Kompensationssignal einstellt.
Der Detektor weist vorteilhafterweise einen Gleichrichter auf, der die elektrischen Signale gleichrichtet, bevor sie integriert werden. Da die durch ein Ereignis erzeugten elektrischen Signale positive oder negative Polarität haben können, werden die Signale integriert, um zu verhindern, daß zwei Polaritäten sich bei der Kalkulation des Integrals auslöschen.
Alternativ integriert der erste Integrator elektrische Signale mit einer ersten Polarität und der Detektor enthält weiterhin einen zusätzlichen Integrator, der die elektrischen Signale mit einer zweiten, zur ersten Polarität entgegengesetzten Polarität integriert.
Auf diese Art kann der Detektor leicht zwischen Signalen mit nur einer Polarität (positiv oder negativ) und Signalen mit zwei Polaritäten (positiv und negativ) auf der Basis der Ausgangssignale von dem ersten Integrator und dem zusätzlichen Integrator unterscheiden. Signale, die z. B. im Atrium des Herzens entstehen, werden als zweiphasig im Atrium und einphasig im Ventrikel und umgekehrt detektiert. Daher kann der Detektor leicht bestimmen, ob eine Signal im Atrium oder dem Ventrikel entstanden ist. Ändern des Vorzeichens des Ausgangssignals von einem der Integratoren und Addieren der zwei Ausgangssignale erzeugt das gleiche Ergebnis als ob das Signal gleichgerichtet und in einem Integrator integriert wurde.
Dies resultiert in einem fließenden Integralwert, in dem z. B. ein Integralwert für die letzten 20 ms jede fünfte ms abgegeben werden kann. Das würde den Detektor schneller machen und die durch die Integration verursachte Verzögerung kompensieren.
Um eine doppelte Detektion während eines Ereignisses zu verhindern, wäre es ein Vorteil, wenn der Integrator das Abfühlen von Ereignissen während einer definierten Refraktärzeit nach jedem abgefühlten Ereignis inhibieren würde. Das erfolgt normalerweise auch nach jedem abgegebenen Stimulationsimpuls.
Hier wäre es ein Vorteil, wenn das Ende der Refraktärzeit auf ein definiertes drittes Intervall eingestellt würde, nachdem das einem detektierten Ereignis folgende Eingangssignal unter das Detektionsniveau fällt.
Alternativ kann die Refraktärzeit so eingestellt sein, daß sie abläuft, wenn das Eingangssignal unter das Kompensationssignal fällt.
Die Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf fünf Figuren beschrieben, in denen
Fig. 1 einen Herzschrittmacher zeigt, in dem der Detektor gemäß der Erfindung zum Abfühlen spontaner Herzschläge verwendet werden kann;
Fig. 2 ein Blockdiagramm zeigt, das ein erstes Ausführungsbeispiel des Detektors zeigt;
Fig. 3 ein Diagramm zeigt, das die Form des elektrischen Signals in einem spontanen Herzschlag zeigt;
Fig. 4 ein Diagramm zeigt, das die Funktion des Detektors nach Fig. 2 illustriert und
Fig. 5 ein Blockdiagramm zeigt, das ein zweites Ausführungsbeispiel des Detektors zeigt.
Ein Herzschrittmacher 1 in Fig. 1 ist mit einem Herzen 3 über einen Elektrodenkopf 2 in dem Ventrikel des Herzens 3 und einen ersten Elektrodenleiter 4 und über eine Ringelektrode 5 mit einem zweiten Elektrodenleiter 6 verbunden. Der Herzschrittmacher 1 erzeugt Stimulationsimpulse und gibt diese an das Herz 3 in Abwesenheit spontaner Herzaktivität ab.
Um spontane Herzaktivität zu detektieren, enthält der Herzschrittmacher 1 einen Detektor 10, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Der Detektor 10 enthält einen Filter- Verstärker 11, der elektrische Signale vom Herzen 3 verstärkt und filtert. Die gefilterten und verstärkten Signale vom Herzen 3 werden dann in einem A/D- Wandler 12 digitalisiert und zu einem Gleichrichter 13 gesendet. Das gleichgerichtete Signal wird dann zu einem ersten Integrator 14 gesendet, der, nachdem das Signal digitalisiert wurde, wie ein Addierer arbeitet, der das digitale Signal über ein erstes Integrationsintervall addiert, z. B. 20 ms, und zu einem zweiten Integrator 15, der das Signal über eine längere Integrationsperiode, z. B. 200 ms, integriert. Die integrierten Signale werden dann in 5 ms bzw. 100 ms Intervallen zu einem Mikroprozessor 16 gesendet. In dem Mikroprozessor 16 werden die integrierten Signale dazu verwendet, spontane Ereignisse zu identifizieren. Der Mikroprozessor 16 führt einen von der Software ausgelösten Vergleich der Signale von dem ersten Integrator 14 und einem durch die beiden integrierten Signale eingestellten Detektionsniveau durch. Er führt auch die Mittelwertbildung usw. in bekannter Art und Weise aus.
Der Detektor 10 kann auch mit analogen Schaltkreisen ausgebildet sein.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie ein Herzsignal 20 aussehen kann, wenn es mit einem Elektrodenkopf 2 in einem Herzschrittmacher 1 gemessen wurde. Der große negative Impuls ist für das Herzsignal charakteristisch und wird als R-Welle bezeichnet.
In Fig. 4 wird die Wirkungsweise des Detektors 10 in einem Diagramm dargestellt, in dem das Signal von dem ersten Integrator 14 mit 21 und das Signal von dem zweiten Integrator mit 22 bezeichnet wird. Der Wert des kurzzeitig integrierten Signals 21 steigt an, wenn ein Ereignis auftritt, und passiert ein Detektionsniveau 23. Es wird als detektiertes spontanes Ereignis akzeptiert, weil es nicht einen Schwellwert 26 übersteigt. Das Detektionsniveau 23 und der Schwellwert 26 werden auf der Basis z. B. des Signals mit der langen Integrationszeit 22, die zu dem aktuellen Niveau der Störsignale korrespondiert, eingestellt. Zum Beispiel kann das Detektionsniveau auf die Hälfte des Mittelwertes für die Spitzenwerte des kurzzeitig integrierten Signals 21 in den letzten fünf Ereignissen plus einem Standardnadirwert für das Signal mit einer langen Integrationszeit 22 eingestellt werden. Es sollte verhindert werden, daß das Detektionsniveau unter einen definierten Wert fällt.
Wenn die Anstiegsflanke des kurzzeitig integrierten Signals 21 das Detektionsniveau 23 passiert, startet eine Refraktärzeit, während der der Detektor 10 nicht in der Lage ist, zusätzliche Ereignisse zu bestätigen. Wenn die abfallende Flanke des kurzzeitig integrierten Signals 21 erneut das Detektionsniveau 23 passiert, in Fig. 4 mit 25 bezeichnet, wird ein Zeitnehmer in dem Mikroprozessor gestartet, der die Refraktärzeit auf eine definierte Zeitdauer Rt, z. B. 25 ms, einstellt.
Alternativ kann das Ende der Refraktärzeit so eingestellt werden, daß es auftritt, wenn die negative Flanke des kurzzeitig integrierten Signals 21 das Signal mit einer langen Integrationszeit 22 kreuzt, mit 24 bezeichnet.
Zusätzlich wird eine Refraktärzeit, deren Ablauf in einer der oben beschriebenen Weisen eingestellt werden kann, nach einem abgegebenen Stimulationsimpuls gestartet.
In Fig. 5 wird ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, in dem der Detektor 30 eine Signalkonditionierungseinheit 31 enthält, in der das elektrische Eingangssignal verstärkt, gefiltert und A/D gewandelt wird, bevor es weitergeleitet wird. Das Ausgangssignal von der Signalbearbeitungseinheit 31 wird dann zu drei parallelen Signalkanälen gesendet. In dem ersten Kanal wird das Signal in einem Gleichrichter 32 gleichgerichtet und dann zu einem ersten Integrator 33 gesendet, in dem das gleichgerichtete Signal über ein langes Integrationsintervall in der gleichen Weise wie in dem Detektor 10 in Fig. 2 integriert wird. In dem zweiten Kanal wird das Signal zu einem zweiten Integrator 35 gesendet, der den positiven Teil des Signals über ein kurzes Integrationsintervall integriert. In dem dritten Kanal wird das Signal zu einem dritten Integrator 36 gesendet, der den negativen Teil des Signals über ein kurzes Integrationsintervall integriert. Die Summe der absoluten Werte des Ausgangssignals von dem zweiten Integrator 35 und dem dritten Integrator 36 ist die gleiche wie das Ausgangssignal von dem in Fig. 2 dargestellten Integrator 14 zur kurzzeitigen Integration. Die integrierten Signale werden zu einem Mikroprozessor 34 gesendet, in dem Detektionsniveaus und Schwellwerte in der gleiche Weise wie in dem in Fig. 2 dargestellten Mikroprozessor 16 eingestellt werden können. Hier kann der Mikroprozessor 34 auch zwischen einphasigen und zweiphasigen Signalen unterscheiden. Wenn ein Herz abgefühlt wird, bedeutet das, daß in dem Atrium entstehende Signale sowohl aus dem Atrium als auch aus dem Ventrikel identifiziert werden können, und im Ventrikel entstehende Signale können auch aus dem Atrium und aus dem Ventrikel identifiziert werden.

Claims

1. Detektor (10) zum Abfühlen von Ereignissen in lebendem Gewebe (3) mit einem Komparator (16), der ein zu elektrischen Signalen von dem lebenden Gewebe korrespondierendes Eingangssignal (21) mit einem definierten Signaldetektionsniveau (23) vergleicht, einem ersten Integrator (14), der das Eingangssignal (21) durch Integrieren des elektrischen Signals (20) von dem Gewebe (3) über ein definiertes Integrationsintervall erzeugt, gekennzeichnet, durch einen zweiten Integrator (15), der die elektrischen Signale (20) über ein längeres Integrationsintervall als der erste Integrator (14), vorzugsweise 5 bis 20 mal länger, integriert, um ein Kompensationssignal (22) zu erzeugen, das dem aktuellen, den elektrischen Signalen (20) überlagerten Störsignal entspricht, wobei das Kompensationssignal (20) zu der Steuervorrichtung (16) gesendet wird, um das Eingangssignal (21) oder das Detektionsniveau (23) hinsichtlich des aktuellen Störsignals zu kompensieren.

2. Detektor nach Anspruch 1, in dem ein Mittelwertbildner (16) aus einer bestimmten Anzahl von Ereignissen den Mittelwert beziehungsweise den Spitzenwert des Eingangssignals (21) bestimmt, während eines definierten Intervalls, nachdem das Eingangssignal (21) das Detektionsniveau (23) passiert hat, und die Steuervorrichtung (16) das Detektionsniveau (23) und /oder den Schwellwert (26) auf der Basis des Mittelwertes einstellt.

3. Detektor nach Anspruch 2, worin die Steuervorrichtung (16) das Detektionsniveau (23) auf einen ersten definierten Teil des Mittelwertes und den Schwellwert (26) auf den Mittelwert plus einem zweiten definierten Teil des Mittelwertes einstellt.

4. Detektor nach Anspruch 2 oder 3, worin die Steuervorrichtung (16) das Detektionsniveau (23) und/oder den Schwellwert (26) auf der Basis des Mittelwertes und des Kompensationssignals (22) einstellt.

5. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Gleichrichter (13) die elektrischen Signale (20) gleichrichtet, bevor sie integriert werden.

6. Detektor nach den Ansprüchen 1-4, worin der erste Integrator (14) die Signale mit einer ersten Polarität integriert und der Detektor weiterhin einen zusätzlichen Integrator aufweist, der die elektrischen Signale mit einer zweiten, zu der ersten entgegengesetzten Polarität integriert.

7. Detektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die integrierten elektrische Signale (21, 22) von den Integratoren (14, 15) in Intervallen abgegeben werden, die kürzer sind als das Integrationsintervall.

8. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Detektor das Abfühlen von Ereignissen während einer definierten Refraktärzeit nach jedem abgefühlten Ereignis inhibiert.

9. Detektor nach Anspruch 8, worin das Ende der Refraktärzeit auf ein definiertes Intervall (Rt), nachdem das Eingangssignal (21) nach einem detektierten Ereignis unter das Detektionsniveau (23) fällt, eingestellt wird.

10. Detektor nach Anspruch 7, worin die Refraktärzeit abläuft, wenn das Eingangssignal (21) unter das Kompensationssignal (22) fällt.