DE69725622T2

DE69725622T2 - Verfahren für das harmonische filtern von daten

Info

Publication number: DE69725622T2
Application number: DE69725622T
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: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2017-03-22
Also published as: ATE251865T1; DE69725622D1; WO1998042251A1; ES2208878T3; AU720238B2; EP1006864A1; EP1006864B1; CA2283856A1; AU2105397A; HK1031188A1; CA2283856C; JP2001517129A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von physiologischen Parametern, insbesondere zur Verringerung von Rauscheffekten in einem System zum Messen eines physiologischen Parameters. Sie betrifft speziell ein Verfahren für das harmonische Filtern von Daten. Die Erfindung verwendet Filtertechniken bei der Pulsoximetrie, um die Sauerstoff-Sättigung von Hämoglobin in arteriellem Blut abzuschätzen.
Pulsoximeter messen und zeigen typisch verschiedene Blutstrom-Charakteristika an, welche, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, die Sauerstoff-Sättigung von Hämoglobin in arteriellem Blut einschließen. Oximeter senden Licht durch blutdurchströmtes Gewebe, wie einen Finger oder ein Ohr, und tasten photoelektrisch die Absorption von Licht in dem Gewebe ab. 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, ist so ausgewählt, dass es von einer oder mehreren Wellenlängen ist, die von dem Blut in einer Menge absorbiert werden, welche für die Menge des Blutbestandteils, der in dem Blut vorliegt, repräsentativ ist. Die Menge an Licht, die durch das Gewebe tritt, variiert gemäß der sich ändernden Menge 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 durchgeführt werden. Herkömmlich misst die Sättigungsbestimmung die Lichtabsorption bei zwei Wellenlängen, z. B. Rot und Infrarot.
Die Sättigung kann dann berechnet werden, indem man für das "Verhältnis von Verhältnissen" löst, wie es beispielsweise aus der US 4928692 , US 4934372 und US 5078136 bekannt ist.
Das optische Signal durch das Gewebe kann sowohl durch Rauschen als auch durch Bewegungsartefakte verschlechtert werden. Eine Rauschquelle ist Umgebungslicht, das den Lichtdetektor erreicht. Eine weitere Rauschquelle ist eine elektromagnetische Kopplung von 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 sein, wenn eine Bewegung verursacht, dass einer oder beide sich von der Haut wegbewegen. Zusätzlich reagiert, da Blut eine Flüssigkeit ist, dieses anders als umgebendes 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 Wahrnehmung des Arztes ein Puls-Oximetriesignal verschlechtern, auf das sich der Arzt verlässt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Überwachung des Patienten aus der Ferne erfolgt, die Bewegung zu klein ist, um beobachtet zu werden, oder 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 Messergebnisse, die durch eine Bewegung beeinflusst sind, entweder eliminiert oder als korrumpiert angezeigt. In einem typischen Oximeter werden Messungen, die an den Spitzenwerten und Tälern des Blutpuls-Signals vorgenommen werden, verwendet, um die gewünschte Charakteristik zu berechnen. Eine Bewegung kann einen falschen Peak verursachen, was eine Messung mit einem ungenauen Wert und eine, die zum falschen Zeitpunkt aufgezeichnet ist, zur Folge hat.
In der US 4802486 ist ein weiteres System offenbart, in dem ein EKG-Signal überwacht und mit dem Oximeter-Messwert korreliert wird, um für eine Synchronisation zu sorgen, um die Auswirkung von Rausch- und Bewegungsartefakt-Pulsen auf die Oximeter-Anzeigen 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 begrenzen.
Die EP-A-0303502 offenbart ein Verfahren, welches die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 und auch Schritt (a) umfasst.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik zum Messen eines Blutbestandteil-Werts bereit, welche das Filtern von Daten, so dass Bewegungs- und Rauschenergie, die nicht ein ganzes Vielfaches einer Herzfrequenz des Patienten ist, gedämpft werden, und dann das Zuordnen von variablen Gewichten zu den gefilterten Daten und das Mitteln der resultierenden Daten beinhaltet.
Demgemäß stellt die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines Blutbestandteils unter Verwenden von Daten bereit, welche einer Wellenlänge elektromagnetischer Energie entsprechen, die durch Gewebe eines Patienten übertragen wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Filtern der Daten, so dass Bewegungs- und Rauschenergie, die nicht bei einem ganzen Vielfachen der Herzfrequenz des Patienten liegt, gedämpft werden, wodurch gefilterte Daten erzeugt werden;
(b) Vergleichen von ausgewählten gefilterten Daten mit mindestens einer erwarteten Datencharakteristik;
(c) Zuordnen eines einer Mehrzahl von variablen Gewichten zu jedem ausgewählten gefilterten Datenwert auf der Basis des Vergleichsschrittes, wodurch eine Mehrzahl von verschieden gewichteten gefilterten Daten erzeugt wird, wobei die variablen Gewichte eine Mehrzahl von verschiedenen Zahlen ungleich Null umfassen; und
(d) Bilden des Durchschnitts einer Mehrzahl der verschieden gewichteten gefilterten Daten, um zweimal gefilterte Daten zur Verwendung bei der Abschätzung des Blutbestandteils zu erhalten.

Vorzugsweise ist das Filter durch einen Filterfrequenzgang gekennzeichnet, der mit der Herzfrequenz des Patienten variiert.
Vorzugsweise liegt eine Mehrzahl von Wellenlängen elektromagnetischer Energie vor, welche durch das Gewebe des Patienten übertragen wird, wobei die Schritte des Filterns und des Vergleichens auf Daten angewendet werden, die nur einer einer Mehrzahl von Wellenlängen entsprechen, wobei die Schritte der Zuordnung und der Bildung des Mittelwerts auf Daten, welche der Mehrzahl von Wellenlängen entsprechen, auf der Grundlage des Filterns angewendet werden und Vergleichsschritte auf eine der Mehrzahl von Wellenlängen angewendet werden.
Die 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, das den Datenstrom in einer Vorrichtung wie der in 1 gezeigten veranschaulicht.
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 Wellenlängenemissions-Charakteristika 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, welche Impedanzwerte mit Wellenlängen in Beziehung setzt. Ein Dekodierungsmittel 67 bestimmt den Impedanzwert des Widerstands 66, und geeignete Extinktionskoeffizienten werden erzeugt, welche den Übertragungs-Charakteristika des betreffenden Messfühlers 61 entsprechen. Demgemäß kann das Oximeter ohne Rekalibrierung mit einer Vielfalt von Messfühlern verwendet werden, die LEDs aufweisen, welche variierende Licht-Wellenlängen emittieren. Der Messfühler 61 ist über ein Verbindungsstück 68 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, verarbeitet werden. In anfänglichen Verarbeitungsschritten 12, 14 wird der natürliche Logarithmus der Daten (gewöhnlich von der roten und infraroten LED) verwendet (Schritt 12), und die Daten werden mit einem Filter mit unbegrenztem Ansprechen auf einen Impuls (IIR), welches eine Hochpass-Grenzfrequenz von 0,5 Hz (das sind 30 Schläge pro Minute) und eine Tiefpass-Dämpfung von 10 bis 20 Hz aufweist, Bandpass-gefiltert (Schritt 14). Die gefilterten Daten können dann durch Algorithmen zur Berechnung der Sauerstoff-Sättigung verarbeitet werden. Die Algorithmen zur Verarbeitung der gefilterten Daten können ein Kalman-Filtern mit und ohne Herz-torgesteuerter Mittelung verwenden.
Die durch einen Algorithmus, wie denjenigen, der ein Kalman-Filtern beinhaltet, zu verarbeitende Information wird vorzugsweise zuerst durch ein harmonisches Filter 17 verarbeitet. Das Filter filtert digital die IR- und rote Wellenform, so dass nur Energie bei ganzen Vielfachen der Herzfrequenz durch das Filter gelassen wird. Der Frequenzgang des harmonischen Filters 17 variiert mit der Pulsfrequenz, die von einer Pulsfrequenz-Berechnungseinheit geliefert wird, um Bewegungs- und Rauschenergie, die nicht bei der Herzfrequenz liegt, zu dämpfen. Es kann geeignet sein, dass nur eine der IR- und roten Wellenformen durch das harmonische Filter 17 gefiltert wird, obwohl häufig beide gefiltert werden.
Durch Anwendung eines zweiten Kalman-Filters wird ein Sauerstoff-Sättigungswert erhalten. Im Gegensatz zu dem ersten Kalman-Filter mit Herz-torgesteuerter Mittelung, die Ereignis-basiert ist, ist das zweite Filter Zeit-basiert. Das zweite Filter wirkt auf Daten aus dem Bandpass-Filter und aus Daten aus dem ersten Filter ein. Vor der Anwendung des zweiten Filters werden Datenpunkte verworfen, die eine unmögliche Sättigungsberechnung (z. B. negative Sättigung) zur Folge haben. Nach Anwendung des zweiten Filters wird gemäß Vertrauensniveaus, die mit jedem Wert verbunden sind, der beste Sättigungswert gewählt.
Der Sättigungswert nach dem zweiten Filter wird nach einer geeigneten Nachbearbeitung, um zu bestimmen, ob und wie er angezeigt werden soll, angezeigt. Vertrauensniveaus der Sauerstoff-Sättigung können aus Maßstäben abgeschätzt werden, welche aus den Algorithmen erhältlich sind, die auf die Oximeter-Daten angewendet 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 geschätzten Wert bestimmt werden,

Claims

Verfahren zum Messen eines Blutbestandteiles unter Verwendung von Daten, die einer Wellenlänge elektromagnetischer Energie entsprechen, welche durch das Gewebe eines Patienten übertragen wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Filtern der Daten, so dass Bewegungs- und Rauschenergie, die nicht bei ganzzahligen Vielfachen einer Herzfrequenz des Patienten liegt, gedämpft wird, wodurch gefilterte Daten erzeugt werden; (b) Vergleichen von ausgewählten gefilterten Daten mit mindestens einer erwarteten Datencharakteristik; (c) Zuordnen eines einer Mehrzahl von variablen Gewichten zu jedem ausgewählten gefilterten Datenwert auf der Basis des Vergleichsschrittes, wodurch eine Mehrzahl von verschieden gewichteten gefilterten Daten erzeugt wird, wobei die variablen Gewichte eine Mehrzahl von verschiedenen Zahlen ungleich null umfassen; und (d) Bilden des Durchschnitts einer Mehrzahl der verschieden gewichteten gefilterten Daten, um zweimal gefilterte Daten zur Verwendung bei der Abschätzung des Blutbestandteils zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem das Filter durch eine Filterantwort charakterisiert ist, die mit der Herzfrequenz des Patienten variiert.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem eine Mehrzahl von Wellenlängen elektromagnetischer Energie vorliegt, welche durch das Gewebe des Patienten übertragen wird, wobei die Schritte des Filterns und des Vergleichens auf Daten angewendet werden, die nur einer der Mehrzahl von Wellenlängen entsprechen, wobei die Schritte der Zuordnung und der Bildung des Durchschnitts auf Daten, welche der Mehrzahl von Wellenlängen entsprechen, auf der Basis des Filterns angewendet werden und Vergleichsschritte auf eine der Mehrzahl von Wellenlängen angewendet werden.