DE69725621T2

DE69725621T2 - Verfahren und gerät zur adaptiven mittelwertbildung von datensignalen

Info

Publication number: DE69725621T2
Application number: DE69725621T
Authority: DE
Inventors: R. Clark BAKER; J. Thomas YORKEY
Original assignee: Nellcor Puritan Bennett LLC
Current assignee: Nellcor Puritan Bennett LLC
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2017-03-22
Also published as: EP1006863A1; JP2001517991A; HK1031189A1; CA2283858C; AU2104997A; AU720450B2; WO1998042249A1; ATE251864T1; CA2283858A1; ES2208876T3; DE69725621D1; EP1006863B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von physiologischen Parametern, insbesondere zur Verringerung von Rauscheffekten in einem System zur Messung eines physiologischen Parameters. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur adaptiven Mittelwertbildung von Datensignalen. Die Erfindung verwendet Filtertechniken bei der Pulsoximetrie, um die Sauerstoff-Sättigung von Hämoglobin in arteriellem Blut abzuschätzen.
Typisch misst und zeigt Pulsoximetrie verschiedene Blutstrom-Eigenschaften an, einschließlich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, der Sauerstoff-Sättigung von Hämoglobin in arteriellem Blut. Oximeter senden Licht durch blutdurchströmtes Gewebe, wie einen Finger oder ein Ohr, und erfassen optisch die Absorption von Licht in dem Gewebe. Die Menge an absorbiertem Licht wird dann verwendet, um die Menge des gemessenen Blutbestandteils (z. B. Oxyhämoglobin) zu berechnen.
Das Licht, das durch das Gewebe gesendet wird, wird so ausgewählt, dass es von einer oder mehreren Wellenlängen ist, die von Blut in einem Maß absorbiert werden, das für die Menge des in dem Blut vorliegenden Blutbestandteils repräsentativ ist. Die Lichtmenge, die durch das Gewebe gesendet wird, variiert in Übereinstimmung mit den sich ändernden Mengen des Blutbestandteils in dem Gewebe und der damit in Beziehung stehenden Lichtabsorption. Die Berechnung der Sättigung kann dann auf der Basis des Lambert-Beer-Gesetzes vorgenommen werden. Traditionell misst die Sättigungsbestimmung die Lichtabsorption bei zwei Wellenlängen, z. B. Rot und Infrarot. Die Sättigung kann dann durch Lösen für das "Verhältnis von Verhältnissen" berechnet werden, wie in der US 4802486 , US 4911967 , US 4928692 , US 4934372 , US 4869254 , US 5078136 und US 5485847 offenbart.
Das optische Signal durch das Gewebe hindurch kann sowohl durch Rauschen als auch durch Bewegungsartefakte verschlechtert werden. Eine Quelle von Rauschen ist Umgebungslicht, welches den Lichtdetektor erreicht. Eine andere Quelle von Rauschen ist eine elektromagnetische Kopplung aus anderen elektronischen Instrumenten. Die Bewegung des Patienten führt ebenfalls ein Rauschen ein und beeinflusst das Signal. Beispielsweise kann der Kontakt zwischen dem Detektor und der Haut oder dem Emitter und der Haut vorübergehend unterbrochen werden, wenn die Bewegung verursacht, dass sich einer oder beide von der Haut wegbewegen. Da Blut eine Flüssigkeit ist, reagiert sie zusätzlich anders als das umgebende Gewebe auf Trägheitseffekte, was so momentane Änderungen des Volumens an dem Punkt zur Folge hat, an dem die Oximetersonde angebracht ist.
Ein Bewegungsartefakt kann ohne Bemerken vom Arzt ein Puls-Oximetriesignal verschlechtern, auf das sich der Arzt verlässt. Dies ist insbesondere wahr, wenn die Überwachung des Patienten aus der Ferne stattfindet, die Bewegung zu klein ist, um beobachtet zu werden, und der Arzt das Instrument oder andere Teile des Patienten und nicht die Messfühlerstelle beobachtet.
In der US 5025791 ist ein Oximeter-System offenbart, in dem ein Beschleunigungsmesser verwendet wird, um eine Bewegung zu erfassen. Wenn eine Bewegung erfasst wird, werden Messungen, die durch eine Bewegung beeinflusst sind, entweder eliminiert oder als korrumpiert angezeigt. In einem typischen Oximeter werden Messungen, die an den Signalspitzen und -tälern des Blutpulssignals vorgenommen werden, verwendet, um die gewünschte Charakteristik zu berechnen. Eine Bewegung kann einen falschen Peak verursachen, was eine Messung mit einem falschen Wert und eine, die zum falschen Zeitpunkt aufgezeichnet wird, zur Folge hat.
In der US 4802486 ist ein weiteres System offenbart, in dem ein EKG-Signal überwacht und mit der Oximeter-Messung korreliert wird, um für eine Synchronisation zu sorgen, um die Auswirkung von Geräusch- und Bewegungsartefakt-Pulsen auf die Oximeter-Messungen zu beschränken. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit, dass das Oximeter mit einem periodischen Bewegungssignal gekoppelt wird.
Das System, das in der US 5078136 offenbart ist, beinhaltet die Verwendung von linearen Interpolations- und Änderungsraten-Techniken, um das Oximeter-Signal zu analysieren, um die Auswirkung von Rauschen und Bewegungsartefakten zu beschränken.
Die US-A-5355882 offenbart den Oberbegriff von Anspruch 1 und das Merkmal (a). Das bekannte Verfahren umfasst auch die Voraussage der Extinktion und das Ableiten einer korrigierten Extinktion auf der Basis einer gemessenen und vorhergesagten Extinktion.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik zur Verringerung von Rauscheffekten in einem System zur Messung eines physiologischen Parameters, beispielsweise der Blutsauerstoff-Sättigung, bereit, in dem verschiedenen Messungen variierende Gewichte zugeordnet werden und die gewichteten Messungen gemittelt werden, um eine gefilterte Messung zu erhalten.
Demgemäß stellt die Erfindung in einem Aspekt ein Verfahren zur Verringerung von Rauscheffekten in einem System zur Messung eines physiologischen Parameters bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst::

(a) Erzeugen einer Mehrzahl von Messungen, die von mindestens einer Wellenlänge elektromagnetischer Energie abgeleitet sind, welche durch lebendes Gewebe übertragen wird;
(b) Vergleichen von ausgewählten Messungen mit mindestens einer erwarteten Messcharakteristik;
(c) Zuordnen eines einer Mehrzahl von variablen Gewichten zu jeder ausgewählten Messung auf der Grundlage des Vergleichsschrittes, wodurch eine Mehrzahl von verschieden gewichteten Messungen erzeugt wird; und
(d) Mitteln einer Mehrzahl der verschieden gewichteten Messungen, um eine gefilterte Messung zur Verwendung bei der Abschätzung des physiologischen Parameters zu erhalten.

In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Verringern von Rauscheffekten in einem System zur Messung eines physiologischen Parameters bereit, welche umfasst:

(a) Mittel zum Erzeugen einer Mehrzahl von Messungen, die von mindestens einer Wellenlänge elektromagnetischer Energie abgeleitet sind, welche durch lebendes Gewebe übertragen wird;
(b) Mittel zum Vergleichen ausgewählter Messungen mit mindestens einer erwarteten Messcharakteristik;
(c) Mittel zum Zuordnen eines einer Mehrzahl von variablen Gewichten zu jeder ausgewählten Messung auf der Grundlage des vergleichenden Schrittes, wodurch eine Mehrzahl von verschieden gewichteten Messungen erzeugt wird; und
(d) Mittel zum Mitteln einer Mehrzahl der verschieden gewichteten Messungen, um eine gefilterte Messung zur Verwendung bei der Abschätzung des physiologischen Parameters zu erhalten.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung Mittel zum Kalibrieren des Systems, um den physiologischen Parameter als Antwort auf ein Signal zu messen, das die mindestens eine Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung anzeigt, beispielsweise wie in der US 4621643 , US 4700708 und US 4770179 offenbart.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Messfühler mit einem Emitter für die mindestens eine Wellenlänge elektromagnetischer Energie, Erfassungsmittel zum Erfassen der elektromagnetischen Energie und zur Erzeugung eines ersten Signals, das dafür repräsentativ ist, Mittel zum lösbaren Koppeln des Messfühlers an ein Oximeter und zur Übermittlung von Signalen zwischen dem Messfühler und dem Oximeter und Mittel zur Bereitstellung eines zweiten Signals, das die mindestens eine Wellenlänge elektromagnetischer Energie anzeigt.
Die vorliegende Erfindung verwendet Filtertechniken, die mathematische Modelle verwenden, um zu beschreiben, wie sich physiologische Parameter im Lauf der Zeit ändern und wie diese Parameter mit einer Messung in einer verrauschten Um gebung in Beziehung stehen. Derartige Filter können einen Satz von mittelnden Gewichten und mittelnden Zeiten modifizieren, um zu einer optimierten Abschätzung des physiologischen Parameters zu gelangen.
Die Technik der Erfindung kann in Verbindung mit einem Pulsoximeter verwendet werden, um die Sauerstoff-Sättigung von Hämoglobin in arteriellem Blut zu bestimmen. Ein Bandpass-Filter kann verwendet werden, um Daten unterhalb von 0,5 Hz und oberhalb von 10 Hz zu dämpfen, um zumindest teilweise ein Bandrauschen zu entfernen. Gefilterte Daten können dann unter Verwendung eines Sättigungsberechnungs-Algorithmus verarbeitet werden, wie nachstehend in mehr Einzelheit erörtert.
Die Erfindung kann adaptive Filtertechniken (z. B. eine Kalman-Filterung) verwenden, um die Blutsauerstoff-Sättigung zu berechnen. Die Kalman-Filterung gestattet es, Parameter im Sinn der kleinsten Quadrate anzupassen, wenn die Parameter mit der Zeit variieren. Traditionell könnte man ein klassisches Verfahren kleinster Quadrate (KKQ) mit Tiefpass-Filterung oder Mittelung der abgeschätzten Menge verwenden. Die Kalman-Filterung erzielt im Wesentlichen das gleiche Ergebnis, aber der Kalman-Filter berechnet die optimale Menge der Durchschnittsbildung. Geeignet Kalman-Filter-Algorithmen sind in Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering, 2. Auflage (1992), von R. G. Brown und P. Y. C. Hwang, veröffentlicht von John Wiley & Sons, offenbart. Ein Herz-torgesteuerter Kalman-Mittelwertbildungs-Prozessor, der die Kalman-Filter-Theorie verwendet, kann bei der Berechnung der Sauerstoff-Sättigung verwendet werden, bei welcher der Prozessor durch Auslöser torgesteuert werden kann, die auf der Pulsfrequenz beruhen, z. B. geliefert von einem Algorithmus zur Berechnung der Pulsfrequenz oder von einer EKG-Wellenform.
Unter Verwendung eines Kalman-Filters beinhaltet das Verfahren der Erfindung die Transformation von geeignet vorverarbeiteten Daten unter Verwendung geeigneter Extinktionskoeffizienten in Mengen, welche der Oxyhämoglobin- und Gesamt-Hämoglobinkonzentration entsprechen. Das unmittelbare Verhältnis dieser zwei transformierten Mengen ergibt die Sättigung. Der unmittelbare Sättigungswert kann direkt unter Verwendung der Extinktionskoeffizienten oder aus dem Verhältnis von Verhältnissen berechnet werden. Das Verfahren muss nicht Maxima oder Minima aufsuchen wie ein Pulsaufsuchungs-Algorithmus (obwohl Maxima oder Minima verwendet und Kalman-gefiltert werden könnten, falls gewünscht). Die Verwendung der unmittelbaren Verhältnisse (d. h. einem Algorithmus auf Zeit-Basis) anstelle der Maxima/Minima-Verhältnisse (d. h., einem Algorithmus auf Ereignis-Basis) verhindert, dass der Code Ereignis-getrieben ist und Daten qualifizieren muss, wenn sie ankommen. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung weist deshalb den Vorteil auf, dass es einfacher zu verwirklichen ist als ein Puls-suchender Sättigungsberechnungs-Algorithmus auf Ereignis-Basis.
Vorzugsweise variiert die Zahl der verschieden gewichteten Messungen, die Bemittelt werden, als Antwort auf den Zuordnungsschritt.
Vorzugsweise wird eine erste Zahl von verschieden gewichteten Messungen Bemittelt, um eine gefilterte Messung zu erhalten, wobei die erste Zahl gemäß den Gewichten variiert, die einer Mehrzahl von aufeinander folgenden, verschieden gewichteten Messungen in dem Zuordnungsschritt zugeordnet wird. Es wird dann bevorzugt, dass eine Mehrzahl von gefilterten Messungen bei jeder Wellenlänge über die Zeit erzeugt wird.
Vorzugsweise umfasst die Mehrzahl von variablen Gewichten einen ersten und einen zweiten Satz von Messungen, die einer ersten bzw. zweiten Wellenlängen entsprechen. Die Schritte des Vergleichs und der Zuordnung werden dann bei dem ersten Satz von Messungen durchgeführt. Es wird bevorzugt, dass das Verfahren den Schritt der Zuordnung von Gewichten zu dem zweiten Satz von Messungen einschließt, welche identisch sind mit denjenigen, die dem ersten Satz von Messungen zugeordnet wurden, wodurch getrennte gefilterte Messungen für sowohl die erste als auch die zweite Wellenlänge erhalten werden.
Vorzugsweise wird die Mehrzahl von Messungen durch Kombinieren der Daten aus mindestens zwei Wellenlängen erhalten.
Vorzugsweise beruht das variable Gewicht, das jeder ausgewählten Messung zugeordnet wird, teilweise auf einer Änderungsrate zwischen der ausgewählten Messung und einer vorangehenden Messung.
Vorzugsweise umfasst der Erzeugungsschritt:

(a) Verwenden des Logarithmus eines Signals, das für die mindestens eine Wellenlänge elektromagnetischer Energie repräsentativ ist, wodurch ein erstes Signal erzeugt wird; und
(b) Bandpass-Filtern des ersten Signals, wodurch ein zweites Signal erzeugt wird, aus dem die Mehrzahl von Messungen abgeleitet wird.

Vorzugsweise umfasst der Erzeugungsschritt den Schritt der Normierung des zweiten Signals, um ein drittes Signal zu erzeugen, aus dem die Mehrzahl von Messungen abgeleitet wird. Der Erzeugungsschritt kann die Verwendung der Ableitung des dritten Signals umfassen, um ein viertes Signal zu erzeugen, aus dem die Mehrzahl von Messungen abgeleitet wird.
Vorzugsweise wird die Ähnlichkeit zwischen jeder ausgewählten Messung und der entsprechenden vorangehenden Messung mit einem erwarteten Wert verglichen. Der erwartete Wert kann einem physiologischen Modell entsprechen. Er könnte einer Änderungsrate zwischen einer Mehrzahl von entsprechenden vorangehenden Messungen entsprechen.
Vorzugsweise entspricht die entsprechende vorangehende Messung, mit der die ausgewählte Messung für die Zuordnung der variablen Gewichte verglichen wird, einer gefilterten Messung.
Vorzugsweise umfasst die mindestens eine erwartete Messcharakteristik eine Vorhersage, welche mindestens einer vorangehenden gefilterten Messung entspricht.
Vorzugsweise umfassen die ausgewählten Messungen digitale Signale.
Vorzugsweise entspricht die Mehrzahl von Messungen, die im Schritt (a) des Verfahrens erzeugt wird, einer Reihe von Herzpulsen.
Vorzugsweise umfassen die variablen Gewichte der erzeugten gewichteten Messungen einer Mehrzahl von verschiedenen Zahlen ungleich Null.
Vorzugsweise beruht die Mehrzahl von Messungen, die in Schritt (a) des Verfahrens erzeugt wird, auf Zeit-Basis und ist nicht Ereignis-angetrieben. Jede gefilterte Messung auf Zeit-Basis könnte dann mindestens einem der folgenden entsprechen:

1. Einem aktuellen Wert eines Verhältnisses von Verhältnissen, der für die Sauerstoff-Sättigung von Hämoglobin in arteriellem Blut repräsentativ ist.
2. Einem aktuellen Wert der Sauerstoff-Sättigung von Hämoglobin in arteriellem Blut. Die mindestens eine erwartete Messcharakteristik kann dann einen konstanten Repräsentanten einer Änderungsrate des Sauerstoff-Sättigungswerts umfassen.

Die Mehrzahl der Messungen auf Zeit-Basis kann vor dem Vergleichsschritt normiert werden, wodurch Rauscheffekte verringert werden, welche einem Bewegungsartefakt bei einigen der Messungen auf Zeit-Basis entsprechen.
Vorzugsweise schließt das Verfahren der Erfindung den Schritt der Bereitstellung eines Signals ein, der die mindestens eine Wellenlänge elektromagnetischer Energie anzeigt.
Vorzugsweise schließt das Verfahren der Erfindung den Schritt des Filterns von Daten ein, die der Wellenlänge elektromagnetischer Energie entsprechen, so dass Bewegungs- und Rauschenergie, die kein ganzes Vielfaches der Herzfrequenz des Patienten sind, gedämpft werden.
Die Erfindung kann die Verringerung von Rauscheffekten beinhalten, wenn ein physiologischer Parameter gemessen wird.
Sie kann eine Vorrichtung zur Verringerung der Rauscheffekte einschließen, welche umfasst:
Mittel zum Erzeugen einer Mehrzahl von Messungen, die von mindestens einer Wellenlänge elektromagnetischer Energie abgeleitet sind, welche durch lebendes Gewebe übertragen wird;
Mittel zur Bereitstellung eines Signals, das die mindestens eine Wellenlänge elektromagnetischer Energie anzeigt;
Mittel zum Vergleichen ausgewählter Messungen mit mindestens einer erwarteten Messcharakteristik;
Mittel zum Zuordnen eines einer Mehrzahl von variablen Gewichten zu jeder ausgewählten Messung auf der Grundlage des Vergleichsschritts, wodurch eine Mehrzahl von verschieden gewichteten Messungen bei jeder Wellenlänge erzeugt wird, wobei die variablen Gewichte teilweise als Antwort auf eine Ähnlichkeit zwischen jeder ausgewählten Messung und einer entsprechenden vorangehenden Messung zugeordnet werden, wobei die variablen Gewichte eine Mehrzahl von Zahlen ungleich Null umfassen;
Mittel zum Mitteln einer Mehrzahl der verschieden gewichteten Messungen, um eine gefilterte Messung zur Verwendung bei der Abschätzung des physiologischen Parameters zu erhalten; und
Mittel zum Kalibrieren des Systems, um den physiologischen Parameter als Antwort auf das Signal zu messen, das die mindestens eine Wellenlänge elektromagnetischer Energie anzeigt.
Die Erfindung schließt auch eine Überwachungseinrichtung zum Messen eines physiologischen Parameters ein, wobei die Überwachungseinrichtung zur Verwendung mit einem Messfühler bestimmt ist, der Emissionsmittel zum Emittieren mindestens einer Wellenlänge elektromagnetischer Energie, Erfassungsmittel zum Erfassen der elektromagnetischen Energie und zur Erzeugung eines ersten dafür repräsentativen Signals, Mittel zum lösbaren Koppeln des Messfühlers an das Oximeter und zur Bereitstellung einer Kommunikation von Signalen zwischen dem Messfühler und dem Oximeter und Mittel zur Bereitstellung eines zweiten Signals aufweist, das die mindestens eine Wellelänge elektromagnetischer Energie anzeigt, wobei die Überwachungseinrichtung umfasst:
Mittel zum Erzeugen einer Mehrzahl von Messungen, die von einem ersten Signal abgeleitet sind;
Mittel zum Vergleichen ausgewählter Messungen mit mindestens einer erwarteten Messcharakteristik;
Mittel zum Zuordnen eines einer Mehrzahl von variablen Gewichten zu jeder ausgewählten Messung auf der Grundlage des Vergleichsschritts, wodurch eine Mehrzahl von verschieden gewichteten Messungen erzeugt wird, wobei die variablen Gewichte teilweise als Antwort auf eine Ähnlichkeit zwischen jeder ausgewählten Messung und einer entsprechenden vorangehenden Messung zugeordnet werden, wobei die variablen Gewichte eine Mehrzahl von verschiedenen Zahlen ungleich Null umfassen;
Mittel zum Mitteln einer Mehrzahl der verschieden gewichteten Messungen, um eine gefilterte Messung zur Verwendung bei der Abschätzung des physiologischen Parameters zu erhalten; und
Mittel zum Kalibrieren der Überwachungseinrichtung, um den physiologischen Parameter als Antwort auf das zweite Signal zu messen.
Die vorliegende Erfindung wird nun lediglich mittels Beispiel mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Messen eines physiologischen Parameters, wie der Sauerstoff-Sättigung von Hämoglobin, eines Patienten ist;
2 ein Blockdiagramm ist, welches den Datenfluss in einer Vorrichtung, wie der in 1 gezeigten, veranschaulicht;
3 eine graphische Darstellung ist, welche die Leistung eines klassischen Algorithmus der kleinsten Quadrate mit derjenigen des Kalman-Algorithmus vergleicht.
4 eine graphische Darstellung ist, welche die Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen des Herztorgesteuerten Kalman-Mittelungsfilters vergleicht.
Nun wird Bezug auf die Zeichnung genommen. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Messen von physiologischen Parametern, wie der Sauerstoff-Sättigung von Hämoglobin, eines Patienten. Eine Messfühler/Oximeter-Kombination 60 umfasst einen Messfühler 61 und eine Oximeter-Überwachungseinrichtung 62. Der Messfühler 61 schließt LEDs 63 und 64 ein, die typisch Wellenlängen-Emissionscharakteristika im infraroten bzw. roten Bereich des Spektrums aufweisen. Ein Photodioden-Messfühler 65 empfängt das Licht, das von den LEDs 63 und 64 übertragen wird. Ein Widerstand 66 (oder ein ähnlicher elektrischer Impedanz-Bezug) wird so gewählt, dass er einer speziellen Wellenlänge oder Kombination von Wellenlängen entspricht, wie durch eine Tabelle spezifiziert, die Impedanzwerte mit Wellenlängen in Beziehung setzt. Ein Dekodierungsmittel 67 bestimmt den Impedanzwert des Widerstands 66, und geeignete Extinktionskoeffizienten werden erzeugt, welche den Übertragungscharakteristika des betreffenden Messfühlers 61 entsprechen. So kann das Oximeter ohne Rekalibrierung mit einer Vielfalt von Messfühlern verwendet werden, die LEDs aufweisen, welche variierende Lichtwellenlängen emittieren. Der Messfühler 61 ist mittels eines Verbindungsstücks lösbar an die Oximeter-Überwachungseinrichtung 62 gekoppelt. Ein Beispiel für eine derartige Messfühler/Oximeter-Kombination ist in der US 4621643 offenbart.
Die Daten, die von dem Messfühler empfangen werden, werden gemäß dem in 2 gezeigten Schema verarbeitet. Sie können unter Verwendung einer Vorrichtung der Art, die in der US 5348004 offenbart ist, verarbeitete werden. In anfänglichen Verarbeitungsschritten 1, 2 wird der natürliche Logarithmus der Daten (gewöhnlich aus roten und infraroten LEDs) verwendet, und die Daten werden Bandpass-gefiltert (Schritt 1). Die gefilterten Daten können dann durch Algorithmen zur Berechnung der Sauerstoff-Sättigung verarbeitet werden. Die Algorithmen zur Verarbeitung der gefilterten Daten können eine Kalman-Filterung (Schritt 11) mit und ohne Herz-torgesteuerter Mittelung (Schritt 9) verwenden. Diese Filtertechniken sind in "Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering", einer oben erwähnten Veröffentlichung, erörtert.
Unter Verwendung von Kalman-Filterung variiert ein zu bestimmender Parameter x (z. B. Sauerstoff-Sättigung oder Pulsfrequenz) auf irgendeine vorhersagbare Weise mit der Zeit. Wenn der Wert von x bei irgendeiner Probe im Lauf der Zeit bekannt ist, dann kann man erwarten, dass in der nächsten Probe x wenig oder keine Schwankung bezüglich des vorangehenden Werts aufweist. Q ist die Varianz dieses Unterschieds. Der Parameter x wird nicht direkt gemessen. Was tatsächlich gemessen wird, ist ein Parameter z, der dem x-fachen einer Konstanten H plus Messungsrauschen gleich ist. R ist die Varianz dieses Messungsrauschens. Umgeformt sind diese xk = xk–1 + nk Q zk = Hkxk + nk R
Die Fähigkeit, den Wert von x bei Kenntnis von z und der letzten Abschätzung von x abzuschätzen, steht mit den zwei Rauschen in Beziehung, welche durch R und Q quantifiziert werden. Der Kalman-Filter quantifiziert die zwei Rauschen in einem Parameter, der als Abschätzungsfehler P bezeichnet wird. Der Kalman-Filter verwendet auch einen Zwischenausdruck, der als Kalman-Verstärkung K bezeichnet wird. P₀ ^–1 wird mit einem Wert von 0 initialisiert. Dann werden bei jedem neuen Datenpunkt k die folgenden Schritt durchgeführt: Pk –1 = Pk–1 –1 + H2k Rk –1 Kk = PkHkRk –1 xk = xk–1 + Kk(zk – Hkxk–1) Pk+1 = Pk + Qk
Mit dem Kalman-Filter (Schritt 11) lässt man die Sättigung variieren, und das Modell wird in zwei Teile aufgeteilt. Der erste Teil ist vk = uksk + nR k
Das heißt, das Verhältnis der transformierten vorverarbeiteten Daten ist der Sättigungswert, außer dem Messungs rauschen. Die Streuung der Daten ergibt eine Echtzeit-Messung der Rauschvarianz. Der zweite Teil besagt, dass eine Bemittelte Sättigung sich im Lauf der Zeit nicht ändert, dass sie aber, wenn sie dies tut, die Standardabweichung der Änderung irgendeine konstante, Q^1/2, beobachtbare Änderungsrate ist. Das heißt, die zweite Gleichung ist sk = sk–1 + nQ k
Diese zweite Gleichung verleiht dem Kalman-Filter die Fähigkeit, dass, wenn sich beispielsweise die Sättigung in zwei Sekunden um 10 Punkte ändert, dies auf dem Messungsrauschen beruhen muss. Der Kalman-Filter mittelt dann die berechnete Sättigung mehr mit vorangehenden Werten, um die Änderung mehr in Einklang mit dem zu bringen, was aus der Physiologie erwartet wird. Im Gegensatz dazu mittelt der Kalman-Filter sehr wenig, wenn die Änderung innerhalb von Schranken liegt.
Der Wert von R wird aus dem Unterschied von v und us über die letzten N Punkte abgeschätzt, wobei der Benutzer den Wert N spezifiziert. In einer Ausführungsform gibt das Kalman-Modell für Sättigung auch den kleineren Anteilen eines Pulses weniger Gewicht, den größeren Anteilen mehr Gewicht und addiert einen kleinen inkrementellen Wert zu der tatsächlichen Varianz, um den Fehler darzustellen, der dem Messungssystem inhärent ist (z. B. Hardware-Rauschen).
In einem zweiten Kalman-Filter (Schritt 12) begrenzt der Kalman-Filter die Änderungen der Zeitableitung der Sättigung. Die Gleichungen für diesen Filter besagen, dass der erwartete Wert der Zeitableitung der Sättigung im Lauf der Zeit statistisch unverändert sein sollte.
worin z die Abschätzung der Sättigung aus dem ersten Kalman-Filter ist und x die Abschätzung der Sättigung nach Beschränkung der Änderungen auf ihre Zeitableitung ist. In dieser Ausführungsform wird es bevorzugt, dass der Parameter n^Q so gewählt wird, dass er der zweiten Ableitung der beobachteten Änderungsrate entspricht, und n^R wird aus den Daten abgeschätzt. In der allgemeinen Form des Kalman-Filters könnten diese beiden getrennten Filter in einem Filter kombiniert werden. Indem man sie auftrennt, wird das Erfordernis, Matrixalgebra zu verwenden, beseitigt, und jeder Kalman-Filter kann getrennt getestet werden.
Das Messungsrauschen wird durch Zentrieren eines Fensters um die verwendeten Datenwerte herum abgeschätzt. Dieses Zentrieren ergibt eine genauere Abschätzung des Rauschens, verzögert aber die Ausgabe des Kalman-Filters um die Hälfte der Fensterlänge. Wenn ein einsekündiges Fenster verwendet wird, beobachtet man, dass der Filter schnell auf eintretende und aufhörende Bewegung antworten kann, und die halbsekündige Verzögerung bei der Sättigungsabschätzung ist klinisch nicht signifikant.
Kalman-Filterung mit Herz-torgesteuerter Mittelung [cardiac gated averaging]
Ein Kalman-CGA-Algorithmus kann in Reihe mit einem Kalman-Sättigungsalgorithmus angewendet werden (Schritte 8, 9). Der Kalman-CGA-Prozessor mittelt aufeinander folgende Plethysmographen-Pulse oder -Wellenformen optimal, um eine optimal gefilterte Plethysmographen-Wellenform zu schaffen.
Die erste nachstehende Gleichung korreliert die gemessene Plethysmographen-Form mit der Bemittelten Plethysmographen-Wellenform, außer dem Messungsrauschen. zk = xk + nk Q
Der Wert Q wird aus den Daten abgeschätzt. Gemäß der folgenden Gleichung kann sich der neue Puls von dem Bemittelten Plethysmographen-Puls nicht um mehr als irgendeinen annehmbaren Prozentsatz unterscheiden. xk = xk–N + nk
Das Herz-torgesteuerte Kalman-Mittelungsmodell mittelt automatisch mehr Datenpunkte, wenn die einlaufende Wellenform signifikant variiert, weist jedoch die Fähigkeit auf, schnell zu aktualisieren, wenn die Wellenform Annahmen gehorcht, die auf der erwarteten physiologischen Schwankung beruhen. Die Herz-torgesteuerte Kalman-Mittelung stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber Verfahren des Standes der Technik der Berechnung von Sättigung dar, wie sie in Oximetern verwendet wird, die von Nellcor Incorporated unter den eingetragenen Marken N200 und N3000 erhältlich sind, und wie sie in der US 4802486 offenbart sind. 4 zeigt ein Beispiel der Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen eines Kalman-Filters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Auslöser-Wellenform 100 stammt von der R-Welle eines EKG oder von einer Pulsfrequenz-Berechnungsmethode ab. Die Rohdaten-Wellenform 102 ist zeitweise durch Bewegung ziemlich korrumpiert, jedoch ist die Herz-torgesteuerte Kalman-Mittelungstechnik durch variable Durchschnittsbildung in der Lage, die gefilterte Wellenform 104 ziemlich regelmäßig aussehen zu lassen. Der geschätzte Restfehler 106 korreliert gut im Lauf der Zeit mit dem Rauschen bei den gemessenen Daten.
Es versteht sich, dass die Herz-torgesteuerte Kalman-Mittelungstechnik verwendet werden kann, um die Oximetrie-Datenpulse für die Verarbeitung durch entweder eine KKQ-Sättigungs-Berechnungstechnik, die Kalman-Berechnungstechnik oder eine alternative Technik zu formen. Jede Ausführungsform könnte eine EKG-Pulsfrequenz oder eine Pulsfrequenz verwenden, die von einem Algorithmus erzeugt wird, der Oximeter-Daten als den Herz-torgesteuerten Mittelungsauslösungsimpuls verwendet. Die Kalman-Sättigungs-Berechnungstechnik kann ohne die Herz-torgesteuerte Kalman-Mittelungstechnik verwendet werden.
Wieder mit Bezug auf 2 werden zwei Sättigungswerte aus den Daten vom Bandpass-Filter berechnet. Ein Sättigungswert wird erhalten, indem man einen harmonischen Filter (Schritt 7) und einen Kalman-Filter mit Herz-torgesteuerter Mittelung verwendet, welcher Auslöseimpulse aus einer EKG-Wellenform verwendet. Der harmonische Filter (Schritt 7) filtert digital die IR- und roten Wellenformen, so dass nur Energie bei ganzen Vielfachen der Herzfrequenz durch den Filter erlaubt wird. Der Frequenzgang des harmonischen Filters (Schritt 7) variiert mit dem Herzfrequenz-Signal, das ihm zugeführt wird, um Bewegungs- und Rauschenergie zu dämpfen, die nicht bei der Herzfrequenz liegen. In dieser Anordnung wendet die anschließende Filterung durch den Kalman-CGA- (Schritt 9) und/oder den Sättigungsberechnungs- (Schritt 11) Algorithmus, der nachstehend beschrieben wird, die gleichen Gewichtungen und Mittelungen für sowohl die IR- als auch die roten Datenströme auf der Grundlage der gefilterten Datenströme an.
Der zweite Sättigungswert wird durch Anwendung eines Kalman-Filters erhalten (Schritt 11). Im Gegensatz zu dem ersten Kalman-Filter mit Herz-torgesteuerter Mittelung, die Ereignis-basiert ist, ist der zweite Filter Zeit-basiert. Der zweite Filter wirkt auf Daten aus dem Bandpass-Filter und auf Daten aus dem ersten Filter ein. Vor der Anwendung des zweiten Filters werden Datenpunkte, die eine unmögliche Sättigungsberechnung (z. B. negative Sättigung) zur Folge haben, verworfen (Schritt 10). Nach Anwendung des zweiten Filters wird der beste Sättigungswert gemäß Vertrauensniveaus ausgewählt, die mit jedem Wert verbunden sind (Schritt 12).
Der Sättigungswert nach dem zweiten Filter wird nach geeigneter Nachbearbeitung angezeigt, um zu bestimmen, ob und wie er anzuzeigen ist (Schritt 14). Vertrauensniveaus bei der Sauerstoffsättigung können aus Maßstäben abgeschätzt werden, welche aus den Algorithmen erhältlich sind, die bei den Oximeter-Daten durchgeführt werden, und bestimmen, welche Sättigung als verlässlich angesehen werden kann. Beispielsweise kann das Vertrauensniveau abhängig vom Alter des Signals, aus dem das Sättigungsniveau berechnet wird, und der Abweichung dieses Niveaus von einem abgeschätzten Wert bestimmt werden.

Claims

Verfahren zur Verringerung von Rauscheffekten in einem System zur Messung eines physiologischen Parameters, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Erzeugen einer Mehrzahl von Messungen, die von mindestens einer Wellenlänge elektromagnetischer Energie abgeleitet sind, welche durch lebendes Gewebe übertragen wird; (b) Vergleichen von ausgewählten Messungen mit mindestens einer erwarteten Messcharakteristik; (c) Zuordnen eines einer Mehrzahl von variablen Gewichten zu jeder ausgewählten Messung auf der Grundlage des Vergleichsschrittes, wodurch eine Mehrzahl von verschieden gewichteten Messungen erzeugt wird; und (d) Mitteln einer Mehrzahl der verschieden gewichteten Messungen, um eine gefilterte Messung zur Verwendung bei der Abschätzung des physiologischen Parameters zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem eine Zahl der verschieden gewichteten Bemittelten Messungen in Abhängigkeit von den Zuordnungsschritt variiert.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem eine erste Zahl von verschieden gewichteten Messungen Bemittelt wird, um die gefilterte Messung zu erhalten, wobei die erste Zahl gemäß den Gewichten variiert, die einer Mehrzahl von aufeinander folgenden verschieden gewichteten Messungen in dem Zuordnungsschritt zugeordnet wurde, und wobei über die Zeit eine Mehrzahl von gefilterten Messungen für jede Wellenlänge erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Mehrzahl von Messungen einen ersten und einen zweiten Satz von Messungen umfasst, die einer ersten bzw. zweiten Wellenlänge entsprechen, und wobei die Schritte des Vergleichs und der Zuordnung bei dem ersten Satz von Messungen durchgeführt werden, und weiter umfassend den Schritt der Zuordnung von Gewichten zu dem zweiten Satz von Messungen, welche identisch sind mit denjenigen, die dem ersten Satz von Messungen zugeordnet wurden, wodurch getrennte gefilterte Messungen für jede der ersten und zweiten Wellenlänge erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Mehrzahl der variablen Gewichte erhalten werden, indem man die Daten aus mindestens zwei Wellenlängen kombiniert.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem das variable Gewicht, das jeder ausgewählten Messung zugeordnet wird, teilweise auf einer Änderungsrate zwischen der ausgewählten Messung und einer vorangehenden Messung beruht.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Erzeugungsschritt umfasst: (a) Verwenden des Logarithmus eines Signals, das für die mindestens eine Wellenlänge elektromatischer Energie repräsentativ ist, wodurch ein erstes Signal erzeugt wird; und (b) Bandpass-Filtern des ersten Signals, wodurch ein zweites Signal erzeugt wird, aus dem die Mehrzahl von Messungen abgeleitet sind.
Verfahren nach Anspruch 7, in dem der Erzeugungsschritt weiter die Normierung des zweiten Signals umfasst, wodurch ein drittes Signal erzeugt wird, aus dem die Mehrzahl von Messungen abgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, in dem der Erzeugungsschritt weiter die Verwendung der Ableitung des dritten Signals umfasst, wodurch ein viertes Signal erzeugt wird, aus dem die Mehrzahl von Messungen abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Ähnlichkeit zwischen jeder ausgewählten Messung und der entsprechenden vorangehenden Messung mit einem erwarteten Wert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, in dem der erwartete Wert einem physiologischen Modell entspricht.
Verfahren nach Anspruch 10, in dem der erwartete Wert einer Änderungsrate zwischen einer Mehrzahl von entsprechenden vorangehenden Messungen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die entsprechende vorangehenden Messung einer gefilterten Messung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die mindestens eine erwartete Messcharakteristik eine Vorhersage umfasst, welche der mindestens einem vorangehenden gefilterten Messung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die ausgewählte Messung digitale Signale umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Mehrzahl von Messungen, die in Schritt (a) erzeugt werden, einer Reihe von Herzpulsen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die variablen Gewichte der erzeugten gewichteten Messungen einer Mehrzahl von verschiedenen Zahlen ungleich null entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Mehrzahl von Messungen, die in Schritt (a) erzeugt werden, auf einer Zeit-Basis beruht und nicht durch ein Ereignis angetrieben ist.
Verfahren nach Anspruch 18, in dem jede gefilterte Messung auf Zeit-Basis einem aktuellen Wert eines Verhältnisses von Verhältnissen entspricht, welcher für die Sauerstoffsättigung von Hämoglobin in arteriellem Blut repräsentativ ist.
Verfahren nach Anspruch 18, in dem jede gefilterte Messung auf Zeit-Basis einem aktuellen Wert der Sauerstoffsättigung von Hämoglobin in arteriellem Blut entspricht.
Verfahren nach Anspruch 20, in dem die mindestens eine erwartete Messcharakteristik einen konstanten Repräsentanten einer Änderungsrate des Sauerstoffsättigungswerts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, in dem die Mehrzahl der Messungen auf Zeit-Basis vor dem Vergleichsschritt normiert wird, wodurch Rauscheffekte verringert werden, die einem Bewegungsartifakt bei einigen der Messungen auf Zeit-Basis entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, welches die Bereitstellung eines Signals umfasst, dass die mindestens eine Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 1, welches den Schritt des Filterns von Daten umfasst, die der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung entsprechen, so dass Bewegung und Rauschenergie, die nicht ganze Vielfache einer Herzfrequenz des Patienten sind, gedämpft werden.
Vorrichtung zur Verringerung von Rauscheffekten in einem System zur Messung eines physiologischen Parameters, umfassend: (a) Mittel zum Erzeugen einer Mehrzahl von Messungen, die von mindestens einer Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung abgeleitet sind, welche durch lebendes Gewebe übertragen wird; (b) Mittel zum Vergleichen ausgewählter Messungen mit mindestens einer erwarteter Messcharakteristik; (c) Mittel zum Zuordnen von einem einer Mehrzahl von variablen Gewichten zu jeder ausgewählten Messung auf der Grundlage des vergleichenden Schrittes, wodurch eine Mehrzahl von verschieden gewichteten Messungen erzeugt wird; und (d) Mittel zum Mitteln einer Mehrzahl der verschieden gewichteten Messungen, um eine gefilterte Messung zur Verwendung bei der Abschätzung des physiologischen Parameters zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 25, welche Mittel zum Kalibrieren des Systems umfasst, um den physiologischen Parameter in Abhängigkeit von einem Signal zu messen, das die mindestens eine Wellenlänge elektromagnetischer Energie anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 25, welche einen Messfühler mit einer Sendeeinrichtung für die mindestens eine Wellenlänge elektromagnetischer Energie, Erfassungsmittel zum Erfassen der elektromagnetischen Energie und zum Erzeugen eines ersten Signals, welches dafür repräsentativ ist, Mittel zum entfernbaren Koppeln des Messfühlers an ein Oximeter und zur Kommunikation von Signalen zwischen dem Messfühler und dem Oximeter und Mittel zur Bereitstellung eines zweiten Signals, das die mindestens eine Wellenlänge elektromagnetischer Energie anzeigt, umfasst.