DE69630638T2

DE69630638T2 - Verfahren und Gerät zur Berichtigung von nicht-physiologischen Änderungen in EKG Signalen

Info

Publication number: DE69630638T2
Application number: DE69630638T
Authority: DE
Inventors: Leif Sörnmo; Peter Karlsson; Lena LUNDSTRÖM
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-09-01
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2016-07-09
Also published as: DE69630638D1; EP0760225B1; JPH09131329A; JP3909098B2; US5690118A; EP0760225A1; SE9503019D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berichtigung von nichtphysiologischen Änderungen in EKG-Signalen, wobei die während eines Herzschlages oder eines charakteristischen Teils eines Herzschlages aufgezeichneten Signale konditioniert und digitalisiert werden, und eine Vorrichtung zur Durchführung einer solchen Berichtigung mit Mitteln zum Konditionieren von Signalen, die durch an den Patienten angelegte Meßelektroden erfasst werden, einem A/D-Umsetzer zum Digitalisieren der Signale und einer Berechnungseinheit.
Änderungen in EKG-Signalen von Herzschlag zu Herzschlag, die durch die Atmungsbewegungen und mögliche Positionsänderungen des Patienten verursacht werden, sind eine Komplikation bei mehreren an EKG-Signalen durchgeführten Analysen. Änderungen dieser Art sind hauptsächlich auf Änderungen der Geometrie des Torsos und Änderungen der Relativposition des Herzens, d.h. Änderungen der elektrischen Achse des Herzens in Bezug auf die Positionen der verwendeten Meßelektroden zurückzuführen. Zum Beispiel können bei der Morphologieklassifikation von QRS-Komplexen diese Änderungen in dem EKG-Signal bewirken, dass identische Herzschläge repräsentierende QRS-Komplexe aufgrund von Änderungen der EKG-Signale, die ausschließlich durch geometrische Änderungen des Torsos des Patienten verursacht werden, als verschiedene Komplexe klassifiziert werden. Das Problem ist bei der Langzeit-Patientenüberwachung sehr groß. Bei diesen Patienten sind nämlich neue „normale" QRS-Komplexe, die auftreten, wenn der Patient die Position wechselt, ein Risiko. Außerdem zeigt ein serieller Vergleich mehrerer ruhender EKGs von demselben Patienten häufig eine unerwünschte Variabilität, da die Platzierung von Elektroden in Bezug auf das Herz nicht bei jeder Untersuchung identisch ist. Bei Varianz-EKGs, bei denen die Variabilität des EKG-Signals von Herzschlag zu Herzschlag untersucht wird, stellen diese nichtphysiologischen Änderungen in den EKG-Signalen eine wesentliche Komplikation dar, da diese Änderungen, die z.B. durch die Atmung des Patienten bewirkt werden, häufig größer sind als die Änderung, die untersucht werden soll und die mit der Funktion des Myokardiums zusammenhängt.
Es wurden bisher mehrere Versuche unternommen, um diese Probleme zu beseitigen, aber die Versuche waren unzureichend oder ineffektiv.
Bei der Morphologieklassifikation von QRS-Komplexen wurde zum Beispiel versucht, das Problem indirekt zu lösen, indem extrahierte Größen, die bis zu einem bestimmten Grad unabhängig von der genauen Morphologie des Komplexes sind, als Maß der Ähnlichkeit von QRS-Komplexen verwendet wurden. Beispiele für solche Größen sind die Breite und Fläche einer zweidimensionalen Einzelebenenrepräsentation des QRS-Komplexes. Diese Art von Morphologieklassifikation ergibt jedoch im allgemeinen schlechtere Ergebnisse als eine Morphologieklassifikation, die auf der Korrelation zwischen Proben in den Komplexen basiert, siehe Pahlm und Sörnmo, „Data Processing of Exercise ECGs", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Band BME-34, Seiten 158–165, Februar 1987, Cruts et al., „Arrhythmia Typification in a Real-Time Analysis System for Monitoring Geriatric Patients during Exercises", Proceedings from the Conference on Computers in Cardiology IEEE 1985, Seiten 423–426, und Alste et al., „Beat-to-Beat Analysis of Waveshape and Rhythm in XECG Using Inner Vector Product Hardware", Computers in Cardiology, Seiten 355–358, IEEE 1982.
Die letztere Technik, die auf der Korrelation zwischen Proben in den Komplexen basiert, reagiert jedoch auf A.o.-Atmungsänderungen in den QRS-Komplexen. Versuche, dies zu kompensieren, verwenden gewöhnlich eine Aktualisierung des Referenzkomplexes bzw. der Schablone durch Mittelwertbildung. Dieses Verfahren ist jedoch ebenfalls stark eingeschränkt. Es ist also zur Zeit keine Technik zur Kompensation von Änderungen in der Richtung der elektrischen Achse des QRS-Komplexes vor der Durchführung der Korrelation mit Referenzkomplexen verfügbar.
Bei seriellen Vergleichen mehrerer ruhender EKGs, die von demselben Patienten bei verschiedenen Gelegenheiten aufgezeichnet werden, besteht häufig eine unerwünschte Variabilität, da die Position von Elektroden in Bezug auf das Herz nicht von einer Untersuchung zur nächsten identisch ist. Ein Verfahren zur Reduktion dieser unerwünschten Variabilität wird in Rubel et al. „Methodology of ECG Interpretation in the Lyon Program" Meth. Inform. Med. Band 29, Nr. 4, Seiten 393–402, (1990), Fayn et al., „Quantitative Assessment of Beatto-Beat Variability in Ambulatory ECG Recording",... und Rubel et al., „New Strategies in Serial ECG Comparison and Trend Analysis", Computer ECG Analysis: Towards Standardization, Elsevier Science Publishers B. V. (North-Holland), Seiten 323–328, (1986), beschrieben, wobei bei diesen Verfahren geometrische Transformationen dreidimensionaler Vektorschleifen durchgeführt werden. Dieses Verfahren erfordert also eine Aufzeichnung eines sogenannten Vektrokardiogramms, und dies bedeutet, dass die Elektroden so positioniert werden, dass drei orthogonale Leitungen erhalten werden. Das Verfahren ist relativ komplex und zusätzlich noch ein iterativer Prozeß, der nur schwer in Echtzeit implementiert, d. h., schwer auf Variabilität von Herzschlag zu Herzschlag angewandt werden kann.
Varianz-EKG, d. h. Variabilität von Herzschlag zu Herzschlag in dem EKG-Signal, wird untersucht, um ischämische Herzerkrankungen zu diagnostizieren, vergl. Prasad und Gupta, „Phase-Invariant Signature Algorithm", „A noninvasive Technique for Early Detection and Quantification of Quabain-induced Cardiac Disorders"; Angiology 30, Seiten 721–732, (1979), und Benzo-Haim et al., „Beat to Beat Variation in Healed Myocardial Infarction", Am J Cardiol 1992, 70: Seiten 1139–1142. In US-A-5,188,116 wird eine solche Technik zur Erkennung ischämischer Herzerkrankungen mit Hilfe von Varianz-EKG beschrieben, bei der eine Korrektur der Atmungsvariabilität in dem EKG-Signal durch eine Skalierung von QRS-Komplexen auf der Basis der Amplitude des R-Spike durchgeführt wird, siehe auch Shaw und Savard, „On the Detection of QRS Variations in the ECG", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Band 42, Nr. 7, Seiten 736–741 (Juli 1995).
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben besprochenen Nachteile der bisher bekannten Technik zu überwinden und ein Verfahren vorzuschlagen und eine Vorrichtung bereitzustellen, um nichtphysiologische Änderungen in EKG-Signalen zu berichtigen. In dieser Anmeldung bedeutet der Ausdruck „nichtphysiologisch" Änderungen, die nicht durch die elektrische Aktivität des Herzens verursacht werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art mit den in den Ansprüchen 1 bzw. 13 definierten kennzeichnenden Merkmalen.
Die Erfindung kann in EKG-Vorrichtungen implementiert und verwendet werden, die verschiedene Arten der Analyse von EKG-Signalen durchführen. Die Erfindung ist besonders nützlich zur Analyse auf der Basis des Vergleichs von Signalen von demselben Patienten bei verschiedenen Gelegenheiten. Ein Beispiel für eine solche Analyse ist die Morphologieklassifikation von QRS-Komplexen, die die Basis im Wesentlichen aller anderen EKG-Analysen sowohl bei der Diagnose als auch bei der Überwachung bildet. Andere Beispiele für Anwendungen für die Erfindung sind serieller Vergleich gespeicherter Ruhe-EKGs von demselben Patienten und Varianz-EKGs, wodurch eine effektive Korrektur nichtphysiologischer EKG-Signalvariabilität von Herzschlag zu Herzschlag und von Tag zu Tag bereitgestellt wird, die hauptsächlich durch Änderungen der Position des Herzens in Bezug auf die Elektroden z. B. aufgrund von Atmungsbewegungen oder Unterschieden bei der Elektrodenplatzierung verursacht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Signale aus an einen Patienten angelegten Meßelektroden also abgetastet und gespeichert. Das Signal wird während eines Herzschlages oder eines charakteristischen Teils eines Herzschlages, wie zum Beispiel des QRS-Komplexes, aufgezeichnet. Verfahren zur Bestimmung des Anfangs und des Endes von QRS-Komplexen sind vorbekannt, vgl. z. B. Sörnmo, „A Model-Based Approach to QRS Delineation", Computers and Biomedical Research, Band 20, Seiten 526– 542 (1987). Das aufgezeichnete Signal wird in einer m*p-Matrix gespeichert, wobei m die Anzahl von Proben ist, d. h. die Länge des Komplexes darstellt, da ein Komplex normalerweise durch die Anzahl von Proben gemessen wird, und der Abstand zwischen jeder Probe ungefähr konstant und p die Anzahl von benutzten Leitungen von den angelegten Elektroden ist.
Die Differenz zwischen zwei solchen Matrizen, die aus verschiedenen Gelegenheiten abgeleitet wird, wird dann durch Durchführung von Operationen, die nur geometrische, nichtphysiologische Variabilität in der zuvor spezifizierten Bedeutung des obigen Ausdrucks korrigieren, minimiert. Die verwendeten Operationen sind Translation, Zeitsynchronisierung, Rotation und Skalierung.
Wenn zwei solche Matrices als A bzw. B bezeichnet werden, wobei A die Referenzmatrix ist, kann die Translation durch Subtrahieren konstanter Werte, d. h. von Gleichstrompegeln, von jeder Zeile in der Matrix B durchgeführt werden. Ein besseres Verfahren ist es jedoch, eine Grundlinienfiltration des Signals mit Hilfe eines komplizierteren Algorithmus durchzuführen, bevor es in der Matrix gespeichert wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen die Konditionierungsmittel somit ein Hochpaßfilter, das so ausgelegt ist, dass es Grundlinienänderungen aus den EKG-Signalen herausfiltert. Anders ausgedrückt, wird eine Translation durchgeführt, bevor die Differenz zwischen den Matrices A und B minimiert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in der Meßmatrix gespeicherte Meßdaten für die Zeitsynchronisierung für jede neue Meßmatrix um eine Probe verschoben, woraufhin die Meßmatrix, die im Vergleich zu der Referenzmatrix die kleinste Differenz aufweist, als die zeitsynchronisierte Meßmatrix ausgewählt wird. Daraufhin wird eine Minimierung für eine Anzahl von B-Matrices durchgeführt. Wenn angenommen wird, dass der QRS-Detektionspunkt eine grobe Schätzung des Synchronisationspunkts liefert, kann z. B. für 10 B-Matrices eine Minimierung durchgeführt werden, die somit 5 in jeder Richtung in Bezug auf den Synchronisationspunkt verschobene Proben enthalten.
Die Rotation wird durchgeführt, indem die Matrix B mit einer Matrix Q multipliziert wird, die nur eine Rotation der Matrix B durchführt, ohne die Längen der Vektoren oder den Zwischenvektorwinkel zu verändern. Eine solche Matrix wird als orthogonal bezeichnet und ist durch den Umstand gekennzeichnet, dass man eine unitäre Matrix erhält, bei der mit Ausnahme von Diagonalelementen, die gleich 1 sind, alle Elemente Null sind, wenn die Matrix mit ihrer Transponierten multipliziert wird, d. h. Reflexion in der Diagonalen.
Skalierung wird durchgeführt, indem die Matrix mit einem Skalenfaktor multipliziert wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Frobeniusnorm, die durch Subtrahieren einer Matrix von der anderen erhalten wird, als Maß für die Differenz zwischen den Matrices bestimmt. Die Frobeniusnorm wird berechnet durch Addieren der quadrierten Summe aller Elemente in der Matrix und Bestimmen der Quadratwurzel dieser Summe.
Das Problem der Minimierung der Differenz zwischen den A- und den B-Matrices kann mathematisch folgendermaßen ausgedrückt werden: Minimiere ∥⁣A – αB(τ)Q∥⁣_F unter der Bedingung Q^TQ = I_P, mit:
α = der Skalenfaktor,
Q = die Rotationsmatrix (p*p)
τ= die Zeitverschiebung (z. B. [–5,5]),
∥⁣ ∥⁣_F bedeutet die Fobeniusnorm.
wobei A = eine m*n-Matrix und a_ij abgetastete Signalwerte bezeichnet.
Die Zeitverschiebungsminimierung für die Zeitsynchronisation wird durchgeführt durch Berechnen einer optimalen Skalierung und Rotation für eine Anzahl von Matrices mit anschließender Auswahl der Matrix, die den kleinsten Wert für die Differenz ergibt.
Die Lösung von Problemen der durch Minimierung der Differenz zwischen Matrices in Bezug auf Skalierung und Rotation gebildeten Art ist teilweise wohlbekannt, vgl. z. B. Golub und Van Loan, Matrix Computations, The Johns Hopkins University Press (1989), Kapitel 12.4, Seiten 581–587. Es scheint, dass exakte Ausdrücke für die Rotationsmatrix Q und den Skalierungsfaktor α formuliert werden können. Bei der Berechnung der Rotationsmatrix Q wird eine Singulärwertfaktorisierung verwendet, das heißt, die Matrix wird als das Produkt zweier orthogonaler Matrices und einer diagonalen Matrix umgeschrieben. Die Rotationsmatrix Q, die die optimale Rotation ergibt, wird durch das Produkt der zwei orthogonalen Matrices gegeben, die bei der Singulärwertfaktorisierung der Transponierten der Matrix B, multipliziert mit der Matrix A, gewonnen werden.
Den optimalen Skalierungsfaktor α erhält man durch Bilden der Summe der Diagonalelemente in der quadratischen Matrix, die durch Multiplizieren der Transponierten der optimal rotierten B-Matrix mit der Matrix A und Dividieren mit der Summe der Diagonalelemente in der erhaltenen Matrix, wenn die Matrix B mit ihrer eigenen Transponierten multipliziert wird, gewonnen wird.
Die Matrix Q und der Faktor a können dann mathematisch auf die folgende Weise abgeleitet werden.
Das Minimum des Ausdrucks ∥⁣A – αBQ∥⁣2F = sp(ATA) + α2sp(BTB) – 2αsp(QTBTA),wobei
sp(X) = Summe der Diagonalelemente in einer quadratischen Matrix X, wird für ein festes a durch Maximieren von sp(Q^TB^TA) erhalten.
Das Q, das diesen Ausdruck maximiert, ist gleich UV^T, wobei die Matrices U und V durch Berechnung der Singulärwertfaktorisierung SVD aus B^TA erhalten werden, siehe Golub und Van Loan, Kapitel 12.4.1, für die Ableitung.
Die Minimierung in Bezug auf α wird durchgeführt, indem die korrespondierende Ableitung gleich Null gesetzt wird, d. h. 2αsp (BTB) – 2sp(QTBTA) = 0woraus sich folgendes ergibt: α = sp((BQ)TA)/sp(BTB)
Das Prinzip der Erfindung besteht also darin, das oben beschriebene Verfahren zum Transformieren gespeicherter Herzschläge oder charakteristischer Teile davon, wie zum Beispiel QRS-Komplexe, so zu benutzen, dass nichtphysiologische Variabilität in dem oben spezifizierten Sinne auf optimale Weise in Bezug auf einen Referenzkomplex minimiert wird, bevor die Komplexe einer weiteren Analyse unterzogen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Operationen der Rotation und der Skalierung gleichzeitig durchgeführt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine vordefinierte Anzahl ausgewählter Meßmatrices zur Bestimmung einer Referenzmatrix gemäß einer oder mehreren der obigen Operationen unter Verwendung einer der Meßmatrices als temporäre Referenz korrigiert, woraufhin der Mittelwert der korrigierten Matrices gebildet wird, und dieser Mittelwert wird als die Referenzmatrix gesetzt. Nach einer Qualitätsprüfung wird also zum Beispiel ein erster QRS-Komplex als temporäre Referenz gesetzt. Danach wird eine Anzahl nachfolgender Komplexe rotiert und skaliert, und es wird ein Mittelwert gebildet. Das Vorgehen kann mit der nächstfolgenden Meßmatrix wiederholt werden, wobei der unmittelbar vorangehende Mittelwert als ein Referenzwert dient, bis die resultierende Änderung des Mittelwerts und folglich der Referenzmatrix unter vordefinierte Grenzen absinkt. Meßmatrices, die nach der Korrektur zu sehr von der bestehenden Referenzmatrix abweichen (gemessen durch die Frobeniusnorm), werden aus der Mittelwertberechnung gemäß einem weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Verfahren ausgeschlossen.
Bei der Korrektur von EKG-Signalen gemäß der Erfindung ist es von äußerster Wichtigkeit sicherzustellen, dass keine medizinischen Informationen verzerrt werden.
Außerdem wäre es vorteilhaft, die Erfindung zur Berichtigung von Signalen zu verwenden, die bei der so genannten Patientenüberwachung aufgezeichnet werden, wenn sich der Patient z. B. gelegentlich umdreht, wodurch geometrische Änderungen des Torsos verursacht werden.
Der QRS-Komplex wurde oben als charakteristischer Teil eines Herzschlages erwähnt, aber die Erfindung ist natürlich auch auf andere Teile eines Herzschlages, z. B. die P-Welle anwendbar.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, angewandt auf die Morphologieklassifikation des EKG in einem Analyse-EKG-Rekorder wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Aufzeichnen und Analysieren von EKGs;
2 ein schematisches Flußdiagramm des Vorgehens der Vorrichtung in 1;
3–5 den QRS-Komplex aus 50–60 Herzschlägen aus einer EKG-Aufzeichnung mit drei Leitungen, aufgetragen in demselben Diagramm nach Zeitsynchronisierung, ohne Korrektur und mit korrigierender optimaler Rotation und Skalierung gemäß der Erfindung, wobei der erste Herzschlag als Referenz benutzt wird;
6 die Kreuzkorrelation zwischen dem Referenzherzschlag und allen anderen Herzschlägen vor und nach Rotation und Skalierung gemäß der Erfindung;
7 eine von drei Leitungen in einer weiteren EKG-Aufzeichnung einer größeren Anzahl von Herzschlägen, die zeitsynchronisiert und einander überlagert wurden, und
8 die Kreuzkorrelation zwischen dem Referenzherzschlag in diesem Fall und den anderen Herzschlägen vor und nach Rotation und Skalierung gemäß der Erfindung.
1 zeigt also eine Vorrichtung zum Aufzeichnen und Analysieren von EKG-Signalen, die mit Hilfe von Elektroden 2, die an einen Patienten 3 angelegt werden, gemessen werden. Die Signale aus den Elektroden 2 werden einem Verstärker 4, etwaigen Analogfiltern und einem A/D-Umsetzer 8 zugeführt. Eine Berechnungseinheit 10, die Speichermittel 11 zum Speichern von Signalproben in Form einer m*p-Matrix, wobei m die Anzahl von Proben und p die Anzahl von Leitungen aus den Meßelektroden 2, die an den Patienten 3 angelegt werden, ist, und zum Speichern einer Referenzmatrix umfasst, ist mit dem Ausgang der Analogfiltereinrichtung und dem A/D-Umsetzer 8 verbunden. Die Berechnungseinheit 10 führt eine Analyse abgetasteter EKG-Signale durch, und die Ergebnisse werden auf einer Anzeige 12 oder einem Drucker 14 präsentiert oder auf einem Informationsspeichermedium 16, wie zum Beispiel einer Festplatte, gespeichert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im Inneren der Berechnungseinheit 10 untergebracht, die einen oder mehrere Mikroprozessoren umfasst.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Analyse von EKG-Signalen an die Morphologieklassifikation von Herzschlägen angepaßt und wird unten ausführlicher mit Bezug auf 2 beschrieben.
Die abgetasteten Leitungen werden mit einem geeigneten digitalen Hochpaßfilter 5, das in der Einheit 10 in 1 angeordnet ist, gefiltert, um Grundlinienänderungen zu beseitigen. Beispiele für geeignete Hochpaßfilter werden in den Publikationen WO 92/15242 und WO 92/15243 und in Sörnmo, „Time-Varying Digital Filtering of ECG Baseline Wander", Medical & Biological Engineering & Computing, Band 31, Seiten 503–508, (1993), beschrieben.
Die Auswahl- und Berechnungseinheit 9 wählt und berechnet aus den gefilterten Leitungen die Leitungen, die für die Detektion und Klassifikation der QRS-Komplexe verwendet werden sollen, vorzugsweise werden drei orthogonale Leitungen verwendet.
Die Hochpaßfiltrierung kann möglicherweise nach der Auswahl- oder Berechnungsoperation durchgeführt werden.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen QRS-Detektor 20, und jeder detektierte QRS-Komplex wird mit Referenzen auf der Basis zuvor aufgezeichneter QRS-Komplexe in den Zeitsynchronisierungs- und Vergleichsmitteln 30 verglichen, und der detektierte QRS-Komplex wird mit einem Referenzpunkt in den Referenzkomplexen verglichen.
Der QRS-Detektor 20 ist von einem angemessenen vorbekannten Typ. Der Vergleich und die Zeitsynchronisierung können auf Berechnungen von Kreuzkorrelation zwischen dem aktuellen QRS-Komplex und dem Referenzkomplex gemäß dem unten ausführlicher beschriebenen Verfahren basieren.
Ein detektierter QRS-Komplex wird in der Rotations- und Skalierungseinrichtung 40 auf unten ausführlicher beschriebene Weise rotiert und skaliert, und daraufhin folgt eine Morphologieklassifikation in den Morphologieklassifikationsmitteln 50. Die Morphologieklassifikation kann dann mit wesentlich größerer Zuverlässigkeit als bisher möglich durchgeführt werden. Die Klassifikation des QRS-Komplexes dient dann zur weiteren Analyse in der Analyseeinheit 60. Beispiele für solche Analysen auf der Basis der Morphologieklassifikation, die in der Analyseeinheit 60 durchgeführt werden können, sind Mittelwertbildung für S-T-Messungen und Herzrhythmusanalyse.
Wenn angenommen wird, dass bis zu fünf Referenzen, die fünf verschiedene Arten von Herzschlägen, d. h. fünf verschiedene QRS-Komplexmorphologien, repräsentieren, in den Speichermitteln 32 gespeichert sind, werden neue QRS-Komplexe entsprechend jedesmal dann erzeugt, wenn ein neuer gemessener QRS-Komplex existierenden Referenzen nicht ähnlich genug ist, d. h. die Korrelation oder die Frobeniusnorm, die gemäß dem Folgenden mit existierenden Referenzen berechnet wird, liegt unter einem vordefinierten Schwellwert.
Eine effiziente Prozedur zur Erzeugung von Referenzen ist eine Grundvoraussetzung für die zuverlässige Morphologieklassifikation.
Die einfachste Weise, dies zu erreichen, besteht einfach darin, den ersten auftretenden QRS-Komplex jedes Typs als Referenz zu benutzen. Die offensichtliche Unzulänglichkeit dieses Verfahrens ist das Risiko, Referenzen zu erhalten, die stark durch Rauschen gestört sind. Eine übliche Lösung für dieses Problem besteht darin, einen Mittelwert einer Anzahl von QRS-Komplexen zu bilden, um den Rauschpegel zu reduzieren. Ein solches Vorgehen eignet sich jedoch nicht für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung, da auch für etwaige Änderungen in der Position der elektrischen Achse ein Mittelwert gebildet werden würde, anstatt eine Richtung zu erfassen.
Eine vorteilhafte Prozedur zur Erzielung von rauschfreien repräsentativen Referenzen basiert stattdessen auf einer iterativen Benutzung der Erfindung. Bei einem solchen Verfahren werden eine optimale Rotation und Skalierung gemäß der Erfindung an einer Anzahl (z. B. 20) QRS-Komplexen desselben Typs durchgeführt, wobei einer davon während einer „Lernphase" als eine temporäre Referenz dient und dann der Mittelwert für auf diese Weise korrigierte Herzschläge gebildet wird. Die Prozedur kann dann so oft wie gewünscht mit dem Mittelwert als Referenz wiederholt werden, bis keine zusätzliche Verbesserung für die Referenz mehr erhalten wird. Die Prozedur kann dann zusätzlich verfeinert werden, indem QRS-Komplexe, die, gemessen mit der nachfolgenden Frobeniusnorm, zu sehr von der existierenden Referenz abweichen, nach der optimalen Rotation und Skalierung vor der Bildung des Mittelwerts ausgeschlossen werden.
Signalproben in der Form einer m*p-Matrix, wobei m die Anzahl von Proben und p die Anzahl benutzter Leitungen von an den Patienten angelegten Meßelektroden ist, werden in den Speichermitteln 32 gespeichert. Probenwerte bilden somit die Matrixpunkte. Die Länge des QRS-Komplexes wird entsprechend in der Anzahl von Proben m gemessen, wobei der Abstand zwischen jeder Probe konstant ist. m kann entweder eine feste Anzahl von Proben sein oder aus der Berechnung des Start- und Endpunkts des QRS-Komplexes ausgewählt werden.
Wenn T_i die m*p-Matrix bedeutet, die den Referenzkomplex Nummer i repräsentiert (i = 1–5 gemäß dem Obigen), und B_i bedeutet die m*p-Matrix, die den zuletzt detektierten QRS-Komplex nach Zeitsynchronierung auf den Referenzkomplex Nummer i in den Vergleichs- und Zeitsynchronisiermitteln 30 enthält. Nachfolgende Berechnungen zur Korrektur der Richtung der elektrischen Achse jedes QRS-Komplexes, der durch die Matrix B_i in Bezug auf die Referenzmatrix T_i repräsentiert wird, werden in den Rotations- und Skaliermitteln 40 durchgeführt.

1. C = B T / iT_i wird berechnet
2. die Singulärwertfaktorisierung von C wird berechnet: U^TCV = Σ
3. Q = UV^T wird berechnet
4. B / i = B_iQ
5. α = sp(B / i ^TT_i)/sp(B T / iB_i) wird berechnet
6. B_i wird durch B opt / i = α*B / i ersetzt

Wenn z. B. die Kreuzkorrelation zwischen dem gemessen QRS-Komplex und gespeicherten Referenzen für die Zeitsynchronisierung in den Vergleichs- und Zeitsynchronisierungsmitteln 30 verwendet wird, ist es möglich zu wählen, nur diejenigen QRS-Komplexe zu korrigieren, für die die korrespondierende Matrix B_i eine ausreichend hohe Korrelation mit der korrespondierenden Referenzmatrix T_i aufweist. Dadurch wird Verarbeitungskapazität gespart, indem in einer frühen Phase morphologische Klassen ausgeschlossen werden, deren Referenzkomplexe völlig von dem aktuellen Komplex verschieden sind.
Die Zeitsynchronisierung in den Vergleichs- und Zeitsynchronisierungsmitteln 30 kann auf der Basis der Kreuzkorrelation zwischen dem aktuellen QRS-Komplex und dem Referenzkomplex durchgeführt werden. Das obige Vorgehen kann jedoch auch in den Mitteln 30 für die Zeitsynchronisierung des aktuellen QRS-Komplexes mit dem Referenzkomplex implementiert werden. Die Mittel 30 und die Einrichtung 40 können dann in eine einzige Einheit integriert werden, in der die obigen Schritte 1 bis 6 eine Anzahl von Malen mit um eine Probe zwischen jeder Berechnung verschobenen EKG-Daten in der Matrix B durchgeführt werden. Die optimale Zeitsynchronisierung (auch Rotation und Skalierung) wird dann durch die Differenzmatrix mit der kleinsten Frobeniusnorm gegeben.
Die optimale zeitsynchronisierte, skalierte und rotierte Matrix B_i wird dann als Eingangsdaten für die Morphologieklassifikationseinrichtung 50 verwendet, in der die Klassifikationskategorie für den QRS-Komplex bestimmt wird. Mehrere Methoden zur Morphologieklassifikation sind vorbekannt und basieren gewöhnlich auf einer Berechnung der Kreuzkorrelation zwischen dem aktuellen QRS-Komplex und einem Referenzkomplex. Der Korrelationskoeffizient ρ wird dann für jede Leitung berechnet.
mit
–1 ≤ ρ ≤ 1und x = zu klassifizierender Herzschlag (eine Leitung)
y = Referenz.
Die Kreuzkorrelation wird geeigneterweise zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt des QRS-Komplexes berechnet, so dass die Klassifikationseinrichtung 50 geeigneterweise eine bestimmte Technik zur Bestimmung dieser Punkte von QRS-Komplexen in der Morphologieklassifikation enthält, siehe z. B. Sörnmo, „A Model-based Approach to QRS Delineation", Computers and Biomedical Research, Band 20, Seiten 526–542 (1987). Nachdem für jede Leitung und für jede Referenz der Korrelationskoeffizient berechnet wurde, werden Schwellwerte angewandt, um die Klasse zu bestimmen, der der QRS-Komplex zugewiesen werden soll.
Die vorliegende Erfindung bietet eine vorteilhafte Alternative zur traditionellen Morphologieklassifikation. Die Frobeniusnorm für die Differenzmatrix zwischen der Referenzmatrix und der optimal synchronisierten, skalierten und rotierten Matrix, die den aktuell gemessenen QRS-Komplex repräsentiert, wird somit als ein Wahrscheinlichkeitsmaß berechnet. Diese Technik bringt den Vorteil mit sich, dass nicht Werte von mehreren Leitungen kombiniert werden müssen. Ein einziger Vergleich zwischen der Frobeniusnorm und einem Schwellwert ist ausreichend.
3–5 zeigen die drei orthogonalen Leitungen für QRS-Komplexe aus 50–60 Herzschlägen vor und nach optimaler Berichtigung gemäß der Erfindung durch Rotation in Bezug auf den „korrekten" Referenzkomplex, und 6 zeigt die Änderungen in dem korrespondierenden Korrelationskoeffizienten vor und nach der Korrektur. 6 zeigt, dass der Korrelationskoeffizient für die Leitung 3, für die die Korrelation am schlechtesten war, sich durch Korrektur gemäß der Erfindung wesentlich verbessert hat, während die beiden anderen Leitungen, für die die Korrelation bereits von Anfang an hoch war, nur marginal beeinflusst wurden. Es sollte hier beachtet werden, dass der Maßstab auf der vertikalen Achse für die drei gezeigten Leitungen verschieden ist.
Diese Figuren zeigen deutlich, dass eine Morphologieklassifikation nach Korrektur durch Rotation und Skalierung gemäß der Erfindung mit wesentlich größerer Bestimmtheit durchgeführt werden kann.
7 zeigt denen von 3–5 korrespondierende Diagramme für eine Leitung für QRS-Komplexe aus 58 aufeinanderfolgenden Herzschlägen, wobei bei zwei Herzschlägen das Risiko einer falschen Klassifikation aufgrund sehr schlechter Korrelation in der gezeigten Leitung besteht. Nach der Korrektur der Richtung der elektrischen Achse gemäß der Erfindung ist eine falsche Klassifikation jedoch kein Risiko mehr. Die Korrelation ist dann für alle Leitungen hoch, wie in 8 gezeigt. Es sollte beachtet werden, dass die vertikalen Achsen auch in dieser Figur verschiedene Maßstäbe für die drei Leitungen aufweisen.
Es wurde oben ein Ausführungsbeispiel für die Morphologieklassifikation von QRS-Komplexen beschrieben. Die Erfindung eignet sich jedoch auch für mehrere andere Anwendungen. Anstelle des QRS-Komplexes können andere charakteristische Teile eines Herzschlags, wie zum Beispiel die P-Welle, untersucht werden, wie bereits erwähnt wurde, und die Erfindung ist nützlich für eine Analyse des Varianz-EKG und für den so genannten seriellen Vergleich von Ruhe-EKGs, um Änderungen der Elektrodenplatzierung zu kompensieren. Die Erfindung kann auch zur Überwachung von Patienten für größere Zeiträume, in denen sich der Patient z. B. gelegentlich umdreht, wodurch eine Änderung der Position der Elektroden in Bezug auf das Herz verursacht wird, verwendet werden.

Claims

Ein Verfahren zur Berichtigung von nichtphysiologischen Änderungen in EKG-Signalen in einer Berechnungseinheit (10), wobei die während eines Herzschlages oder eines charakteristischen Teils eines Herzschlages aufgezeichneten Signale konditioniert und digitalisiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalproben in Form einer m*p Matrix gespeichert werden, wobei m die Anzahl der Proben und p die Anzahl der von an den Patienten (3) angeschlossenen Messelektroden (2) verwendeten Ableitungen ist, und dass die Differenz zwischen dieser Messmatrix und einer Referenzmatrix durch einen oder mehrere der Arbeitgänge Translation, Zeitsynchronisierung, Rotation und Skalieren der Messmatrix minimiert wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frobeniusnorm für die Matrix durch Subtraktion einer der Matrices von der anderen als ein Maß der Differenz zwischen den Matrices bestimmt wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zeitsynchronisierung die in der Messmatrix gespeicherten Messdaten für jede neue Messmatrix um eine Probe verschoben werden, woraufhin die Messmatrix, die die kleinste Differenz verglichen zu der Referenzmatrix aufweist, als die zeitsynchronisierte Messmatrix ausgewählt wird.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotations- und Skalierungsoperation gleichzeitig durchgeführt werden.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen einer Referenzmatrix eine vorbestimmte Anzahl ausgewählter Messmatrices gemäß einer oder mehrerer der obigen Operationen korrigiert werden, wobei eine der Messmatrices als eine temporäre Referenz dient, woraufhin der Mittelwert der korrigierten Matrices gebildet wird und dieser Mittelwert als die Referenzmatrix festgelegt wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Vorgehen mit der nächstfolgenden Messmatrix wiederholt wird und der unmittelbar vorangehende Mittelwert als Referenz dient, bis die darauffolgende Änderung des Mittelwertes und dementsprechend der Referenzmatrix unter eine vorbestimmte Grenze absinkt.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmatrices, die nach der Korrektur zu sehr von der vorhandenen Referenzmatrix, die mit der Frobeniusnorm gemessen wurde, abweicht, von der Bestimmung des Mittelwertes ausgeschlossen werden.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitsynchronisierung zuerst durchgeführt wird und die Rotations- und Skalierungskorrektur danach nur erfolgen, wenn die Differenz zwischen der aktuellen Messmatrix und der Referenzmatrix kleiner ist als vorgeschriebene Grenzwerte.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Messmatrix den QRS-Komplex in einem Herzschlag repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Korrektion der Messmatrix mit einer oder mehreren der obigen Operationen eine Morphologieklassifizierung des korrespondierenden QRS- Komplexes durchgeführt wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Morphologieklassifizierung des QRS-Komplexes die Frobeniusnorm für die Differenz zwischen einer Klasse Referenzmatrix, die die aktuelle Morphologieklasse repräsentiert, und der betreffenden, korrigierten Messmatrix berechnet und mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Morphologieklassifizierung des QRS-Komplexes der Korrelationskoeffizient für jede EKG-Signalableitung und einen Referenzwert berechnet und mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen wird.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für einen seriellen Vergleich gespeicherter Ruhe-EKG's für ein und denselben Patienten oder eine Studie der Herzschlag- zu Herzschlagschwankungen der EKG-Signale die Referenzmatrix den unmittelbar vorhergehenden Herzschlag oder charakteristischen Teile des Herzschlages repräsentiert.
Ein Gerät zur Korrektur nichtphysiologischer Schwankungen in EKG-Signalen mit Mitteln zur Konditionierung von durch an den Patienten (3) angelegte Messelektroden (2) aufgenommene Signale, einem A/D-Wandler (8) zur Digitalisierung der Signale und einer Berechnungseinheit (10) , dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (10) Speichermittel (11, 32) zum Speichern von Signalproben in der Form einer m*p Matrix, wobei m die Anzahl der Proben und p die Anzahl der von den an den Patienten (3) angelegen Messelektroden (2) verwendeten Ableitungen ist, und zum Speicher einer Referenzmatrix aufweist, wobei die Berechnungseinheit (10) ausgebildet ist, um die Differenz zwischen der aus den Signalproben und der Referenzmatrix mit Hilfe einer oder mehrerer der Operationen Translation, Zeitsynchronisierung, Rotation und Skalieren der Messmatrix gebildeten Messmatrix zu minimieren.
Ein Gerät gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (10) ausgebildet ist, um die Differenz zwischen der Messmatrix und der Referenzmatrix zu berechnen und als ein Maß der Differenz zwischen den Matrices die Frobeniusnorm für diese Differenzmatrix zu berechnen.
Ein Gerät gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierungsmittel ein Hochpassfilter (5) aufweisen, das vorgesehen ist, um Grundlinienschwankungen aus den EKG-Signalen herauszufiltern.
Ein Gerät gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit einen QRS-Komplexdetektor (20) zur Durchführung der obigen Korrekturoperation an dem detektierten QRS-Komplex aufweist.
Ein Gerät gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit Vergleichsmittel (30) zum Vergleichen des aktuellen QRS-Komplexes mit einem gespeicherte Referenzkomplex aufweist.
Eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermittel (11, 32) der Berechnungseinheit vorgesehen sind, um gemessene QRS-Komplexe und Referenz-QRS-Komplexe in der Form von m*p Matrices zu speichern, und dass die Berechnungseinheit(10) ausgebildet ist, für die Zeitsynchronisation gemessener QRS-Komplexe die Frobeniusnorm für die Differenz zwischen einer Mehrzahl von Messmatrices, die gemessene QRS-Komplexe repräsentieren, und einer Referenzmatrix, die einen Referenz-QRS-Komplex repräsentiert, berechnet, wobei in den Messmatrices gespeicherte Messdaten für jede neue Messmatrix um eine Probe verschoben werden, wozu die Berechnungseinheit ausgebildet ist, den QRS-Komplex als zeitsynchronisiert zu definieren, wenn die Frobeniusnorm so klein wie möglich ist.
Ein Gerät gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (10) ausgebildet ist, die Frobeniusnorm für die Differenzmatrix zwischen der Messmatrix, die den aktuellen QRS-Komplex repräsentiert, und einer Referenzmatrix für verschiedene Rotationspositionen der elektrischen Achse des QRS-Komplexes zu berechnen, wobei diese Rotation fortgeführt wird, bis die Frobeniusnorm so klein wie möglich ist.
Ein Gerät gemäß Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (10) ausgebildet ist, das Skalieren der Messmatrix, die den aktuellen QRS-Komplex repräsentiert, zu berechnen, die den kleinsten Wert der Frobeniusnorm für die Differenzmatrix zwischen der Messmatrix und einer Referenzmatrix ergibt.
Ein Gerät gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichsmittel (30) ausgebildet ist, die Kreuzkorrelation zwischen dem aktuellen QRS-Komplex und einem gespeicherten Referenzkomplex zu bestimmen.
Ein Gerät gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit Morphologieklassifizierungsmittel (50) zur morphologischen Klassifizierung korrigierter QRS-Komplexe aufweist.
Ein Gerät gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Morphologieklassifizierungsmittel (50) ausgebildet ist, die Frobeniusnorm für die Differenzmatrix zwischen dem für die Morphologieklassifizierung gespeicherten Referenz-QRS-Komplex und Messmatrices, die korrigierte QRS-Komplexe repräsentieren, zu berechnen und die berechnete Norm mit vorbestimmten Grenzwerten zu vergleichen.
Ein Gerät gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Morphologieklassifizierungsmittel (50) ausgebildet sind, für jede Ableitung die Kreuzkorrelation zwischen gemessenen, korrigierten QRS-Komplexen und Referenz-QRS-Komplexen zu berechnen.
Ein Gerät gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (10) ausgebildet ist, einen neuen Referenz-QRS-Komplex zum Speichern in dem Morphologieklassifizierungsmittel (50) zu erzeugen, wenn der Korrelationskoeffizient zwischen dem aktuellen QRS-Komplex und gespeicherten Referenz-QRS-Komplexen kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellwert.