DE69725964T2

DE69725964T2 - Herzreaktionserkennung bei Herzschrittmacher tragenden Patienten

Info

Publication number: DE69725964T2
Application number: DE69725964T
Authority: DE
Inventors: Thomas Emmrich
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1997-05-12
Filing date: 1997-05-12
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2017-05-13
Also published as: EP0878210A1; EP0878210B1; US5961468A; DE69725964D1; JPH10314317A; JP4121611B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Erkennung einer Herzreaktion in einem EKG-Signal eines Patienten mit einem Herzschrittmacher, der einen Stimulationsimpuls emittiert.
Bei jeder Elektrokardiogramm-Überwachungsvorrichtung (EKG) besteht eine wichtige Funktion in der Erkennung und Charakterisierung jedes einzelnen Herzschlags, der in dem EKG-Signal vorhanden ist. Diese Informationen werden anschließend benutzt, um sowohl Aufschluss über die Herzfrequenz als auch Warnhinweise bei lebensbedrohlichen Situationen zu erhalten. Die Überwachung eines EKG-Signals von einem Patienten mit einem Herzschrittmacher gestaltet sich schwierig, weil die durch den Herzschrittmacher erzeugten Stimulationsimpulse jederzeit auftreten können. Wenn sie zwischen QRS-Komplexen auftreten, können sie fälschlicherweise durch einen QRS-Detektor erkannt werden und haben zur Folge, dass eine inkorrekte hohe Herzfrequenz gemessen wird. Treten die Stimulationsimpulse während eines QRS-Komplexes auf, können sie eine fehlerhafte Merkmalsmessung verursachen und führen zu einer falschen QRS-Klassifikation. Insbesondere ist die Erkennung der Asystolie notwendig, um Krankenschwestern bei einem Aufhören der Herzreaktion zu warnen, das durch das Fehlern des QRS-Komplexes in dem EKG-Signal angezeigt wird. Bei Patienten mit Herzschrittmacher enthält das EKG-Signal auch nach der Asystolie periodisch auftretende Stimulationsimpulse, die der Herzreaktion gleichen können. Die Anwesenheit der Stimulationsimpulse in einem EKG-Signal macht es schwierig, derartige Asystolie-Bedingungen zu erkennen.
1A zeigt einen typischen Stimulationsimpuls 10, der aus zwei Komponenten besteht, einem Hauptimpuls 20 und einem Stimulationsimpulsschwanz 30, der manchmal auch als Repolarisationsimpuls bezeichnet wird. Der Hauptimpuls 20, der zum Stimulieren des Herzens benutzt wird, ist durch seine schmale Breite, seinen steilen Anstieg und Abfall sowie seine große Amplitudenschwankung gekennzeichnet. Die eigentliche Form des Stimulationsimpulses 10 hängt hauptsächlich von der Ausgangskopplung des Herzschrittmachers ab. Der Stimulationsimpulsschwanz 30 wird auch verwendet, um die kapazitive Kopplung, die durch die Abgabe der zwischen dem Herz und dem Herzschritt macher aufgebauten Stimulationsimpulsladung erzeugt wird, zu verringern. Die Form und die Größe des Stimulationsimpulsschwanzes 30 sind abhängig von dem Energiegehalt des Hauptimpulses 20 und dem Umfang der kapazitiven Kopplung. Zusätzlich zur Repolarisation kann die Bandpass-Filterung in der Überwachungsvorrichtung einen weiteren Teil des Stimulationsimpulsschwanzes 30 bilden.
1B zeigt ein Beispiel für die Form einer Herzreaktion 40. Die Herzreaktion 40 – auch als QRS-Komplex bezeichnet – stellt die Reaktion des Herzens auf den Stimulationsimpuls 10 dar.
1C zeigt ein Beispiel für die Form eines tatsächlichen EKG-Signals 50, das sich aus der Überlagerung des Stimulationsimpulses 10 mit der Herzreaktion 40 des Patienten ergibt. Mit anderen Worten, der synthetische Stimulationsimpuls 10 stimuliert die Herzreaktion 40 des Patienten, die mit dem Stimulationsimpuls 10 dem EKG-Signal 50 überlagert ist, das durch die EKG-Überwachungsvorrichtung gemessen werden soll. Das EKG-Signal 50 umfasst einen positiven Impuls 60, der hauptsächlich durch den Hauptimpuls 20 bestimmt wird, und einen negativen Impuls 70, der hauptsächlich durch den Stimulationsimpulsschwanz 30 und die Herzreaktion 40 bestimmt wird.
Einige Herzschrittmacher erzeugen einen Stimulationsimpulsschwanz 30 mit einer erheblichen exponentiellen Dämpfung (wie in 1A dargestellt). Um EKG-Signale genauer zu überwachen, hat es sich als hilfreich erwiesen, die Stimulationsimpulssignale von dem Herzschrittmacher zu eliminieren. Eine derartige Eliminierung erfordert jedoch, dass der Stimulationsimpuls 10 zunächst identifiziert wird. Es hat sich als schwierig erwiesen, die Herzreaktion 40 auf dem Stimulationsimpulsschwanz 30 zu erkennen, vor allem, wenn der Herzschrittmacher eine hohe Energie liefert. Bei einem Echtzeitsystem wie einem Patientenmonitor ist es schwierig, die Signalform des Stimulationsimpulsschwanzes 30 zu unterscheiden.
Der Prozess der Identifizierung der Stimulationsimpulse 10 kann mit Hilfe des in der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 4.664.116 beschriebenen Verfahrens erfolgen, bei dem die Stimulationsimpulse 10 durch die Existenz von hochfrequenten „Spikes" mit schmaler Breite und steiler Anstiegszeit identifiziert werden, die einen bestimmten minimalen dynamischen Rausch-Schwellwert überschreiten.
Es kann zusätzliche Hardware und Software benutzt werden, um die erkannten Stimulationsimpulse 10 zu entfernen. Insbesondere wird in der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 4.832.041 ein Verfahren beschrieben, bei dem Werte des EKG-Signals 50, die innerhalb eines Fensters mit dem Stimulationsimpuls 10 liegen, durch Ersatzwerte ersetzt werden, die eine Interpolation von ausgewählten Werten des EKG-Signals 50 sind. Die Ersatzwerte bilden eine Linie, die sehr nahe an die Form des EKG-Signals 50 herankommt, wie sie vorliegen würde, wenn kein Stimulationsimpuls 10 aufgetreten wäre. Dieser Algorithmus ist jedoch nicht vorgesehen, um den Stimulationsimpulsschwanz 30 zu eliminieren. Leider kann die verbleibende Energie des Stimulationsimpulsschwanzes 30 fälschlicherweise als QRS-Komplex (Herzreaktion 40) erkannt werden. Dies kann zu einer Fehldiagnose des zugrundeliegenden EKG-Rhythmus des Patienten führen und zur Folge haben, dass eine Asystolie-Bedingung nicht erkannt wird.
In der US-amerikanischen Patentschrift US-A-4.934.376 werden ein Verfahren und ein Gerät zur Erkennung des Auftretens von Herzschlägen in einem EKG-Signal beschrieben, das auch Herzschrittmacher-Artefakte enthalten kann; dabei umfasst das Verfahren die Analyse des EKG-Signals, um ein Herzschlag-Signal zu liefern, das die Erkennung des Auftretens eines Herzschlags angibt, die Analyse des EKG-Signals, um ein Herzschrittmacher-Artefaktsignal zu liefern, das die Erkennung des Auftretens eines Herzschrittmacher-Artefakts angibt, die Analyse des EKG-Signals auf eine Weise, die unabhängig von der erstgenannten Analyse ist, um zu ermitteln, ob ein Teil des EKG-Signals, das der Erkennung eines Herzschrittmacher-Anefakts folgt, Änderungen in seinem Amplitudenpegel aufweist, die die Gültigkeit des einen Herzschlag angebenden Signals angeben, und die Verwendung des Ergebnisses der letztgenannten Analyse, um die Lieferung des Herzschlag angebenden Signals durch die erstgenannte Analyse zu steuern.
In der US-amerikanischen Patentschrift US-A-5.033.473 von derselben Anmelderin werden ein Verfahren und ein Gerät zur Unterscheidung von Stimulationsimpulsschwänzen 30 beschrieben, die durch Signale erzeugt werden, die von QRS-Komplexen (Herzreaktion 40) unterschieden werden, indem mathematisch festgestellt wird, dass das Signal, welches auf den Stimulationsimpulspeak folgt, eine exponentielle Dämpfung aufweist. Durch die Anwendung einer mathematischen Gleichung wird festgestellt, ob die Signalform exponentiell abklingt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein System nach Anspruch 1 zu schaffen, um die Stimulationsimpulsschwänze 30 von der echten Herzreaktion 40 in einem EKG-Signal 50 zu unterscheiden. Erfindungsgemäß wird die Herzreaktion 40 des EKG-Signals 50 eines Patienten von dem Stimulationsimpuls 10 des Herzschrittmachers unterschieden, indem der Stimulationsimpulsschwanz 30 durch die Bestimmung einer Fläche A' des negativen Impulses 70 des EKG-Signals 50 bewertet wird. Es hat sich gezeigt, dass die Fläche A' des negativen Impulses 70 durch die Herzreaktion 40 kaum verändert wird, weil die Herzreaktion 40 im Wesentlichen isoelektrisch ist, d. h. die Fläche oberhalb und unterhalb der Nulllinie ist im Durchschnitt gleich. Da die Herzreaktion 40 also nur Flächenteile zu dem Stimulationsimpulsschwanz 30 beiträgt, die im Durchschnitt aus Teilen von im Wesentlichen gleichen negativen und positiven Flächen bestehen, ist die Fläche A' des negativen Impulses 70 im Wesentlichen die Gleiche wie die Fläche A des Stimulationsimpulsschwanzes 30 und wird im Wesentlichen nicht durch die Herzreaktion 40 beeinflusst.
Wenn die theoretische mathematische Funktion oder eine Approximation einer entsprechenden Form des Stimulationsimpulsschwanzes 30 bekannt ist, kann in den meisten Fällen eine geschätzte mathematische Funktion des Stimulationsimpulsschwanzes 30 aus der bestimmten Fläche A' des negativen Impulses 70 bestimmt werden. Durch Evaluieren der geschätzten mathematischen Funktion des Stimulationsimpulsschwanzes 30 zusammen mit dem tatsächlich gemessenen negativen Impuls 70 des EKG-Signals 50 kann gefolgert werden, ob die Herzreaktion 40 dem Stimulationsimpuls 10 überlagert ist oder nicht. Im erstgenannten Fall kann das Herzreaktionssignal 40 erkannt werden und könnte von dem Stimulationsimpuls 10 getrennt werden, um es weiter zu analysieren. Im letztgenannten Fall reagiert das Herz des Patienten nicht auf den Stimulationsimpuls 10 und es müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden.
Falls der tatsächliche Stimulationsimpulsschwanz 30 im Wesentlichen einer exponentiellen Funktion folgt, kann die Form einer geschätzten mathematischen Funktion des Stimulationsimpulsschwanzes 30 von der Fläche A' (siehe 1C) des negativen Impulses 70 abgeleitet werden. Die Fläche A' des negativen Impulses 70 des EKG-Signals 50 kann als im Wesentlichen gleich der Fläche A (siehe 1A) des Stimulationsimpulsschwanzes 30 des Stimulationsimpulses 10 betrachtet werden. Die Zeitkonstante T der exponentiellen Funktion für die geschätzte mathematische Funktion des Stimulationsimpulsschwanzes 30 wird wie folgt ausgehend von der Fläche A' berechnet: A' ≈ A = –a*T *(exp–Te/T –1) (1)wobei
a die Amplitude des negativen Impulses 70 zu einem Zeitpunkt T0 = 0 als Startzeit des Stimulationsimpulsschwanzes 30 darstellt;
Te eine „Endzeit" der exponentiellen Funktion darstellt, wobei Te so einzustellen ist, dass die Fläche A' der exponentiellen Funktion zwischen T0 und Te groß genug ist und mindestens die Herzreaktion 40 abdeckt;
A' die Fläche des negativen Impulses 70 zwischen T0 und Te darstellt; und
T die Zeitkonstante der exponentiellen Funktion darstellt.
Mit x = (- Te/T) und k = (a* Te/A') sind die Lösungen von Gleichung (1) auch die Lösungen von Gleichung (2): f(x) = k*[exp(x) – 1] – x = 0 (2)
Unter Anwendung der Adomian'schen Methode kann x approximiert werden als: x ~ –k + k* exp(–k) + k^2*exp(–2*k) + 1,5 * k^3*exp(–3*k) + ... (3)
Der Wert der Zeitkonstanten T kann letztendlich bestimmt werden durch T = –Te/x. (4)
Wenn die geschätzte mathematische Funktion des Stimulationsimpulsschwanzes 30 mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist, kann die Herzreaktion 40 vorzugsweise mit Hilfe der folgenden Verfahren erkannt werden:

a) Innerhalb eines sich bewegenden Fensters werden Änderungen einer Fläche zwischen dem negativen Impuls 70 des EKG-Signals 50 und der geschätzten mathematischen Funktion erkannt. Das sich bewegende Fenster ist definiert als ein Abschnitt der Zeitachse und sollte mindestens die wesentliche Länge einer typischen Herzreaktion 40 aufweisen. Außerdem wird das sich bewegende Fenster vorzugsweise als ein Vielfaches von überlagerten periodischen Störungen, zum Beispiel der Netzfrequenz, eingestellt. Wenn die Änderungen erheblich von einem vorgegebenen Wert abweichen, kann erwartet werden, dass dies auf die Herzreaktion 40 zurückzuführen ist. Wenn die Änderungen den vorgegebenen Wert nicht erheblich überschreiten, ist zu fürchten, dass keine Herzreaktion 40 aufgetreten ist.
b) Es werden Unterschiede in den Steigungen des negativen Impulses 70 des EKG-Signals 50 und der geschätzten mathematischen Funktion erkannt. Wenn die Unterschiede erheblich von einem vorgegebenen Wert abweichen, kann erwartet werden, dass dies auf die Herzreaktion 40 zurückzuführen ist. Wenn die Änderungen den vorgegebenen Wert nicht erheblich überschreiten, ist zu fürchten, dass keine Herzreaktion 40 aufgetreten ist. Ein weiteres Kriterium kann sein, dass die signifikanten Unterschiede mindestens über einen bestimmten Zeitraum auftreten müssen, sonst wird davon ausgegangen, dass die Unterschiede – obwohl ihr Wert signifikant ist – nicht die Herzreaktion 40 darstellen, sondern durch Nebeneffekte hervorgerufen wurden.

Wenn der Herzschrittmacher einem Patienten implantiert wird, wird der synthetische Stimulationsimpuls 10 dieses betreffenden Herzschrittmachers auf feste Werte eingestellt, und die Form des Stimulationsimpulses 10 schwankt nur wenig. Die Form des Stimulationsimpulses 10 kann jedoch auch durch Nebeneffekte beeinflusst werden, zum Beispiel durch Bewegungsartefakte oder wenn die gemessene Elektrode gewechselt wird. In diesem Fall kann es erforderlich sein, die geschätzte mathematische Funktion des Stimulationsimpulsschwanzes 30 häufig zu „lernen", indem die Fläche A' des negativen Impulses 70 häufig bestimmt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Form der Herzreaktion 40 durch ein sogenanntes Signal-Clamping approximiert werden. Wenn ein Hauptimpuls 20 in dem EKG-Signal 50 erkannt wird, wird der Wert des gerade vor dem Auftreten dieses Hauptimpulses 20 gemessenen EKG-Signals 50 beibehalten (z. B. als ein Nullwert) und als Ausgabe eingestellt, bis die Herzreaktion 40 in dem EKG-Signal 50 erkannt wird. Nachdem die Herzreaktion 40 erkannt wurde, wird das EKG-Signal 50 – oder ein davon abgeleitetes Signal- zur weiteren Evaluierung des EKG-Signals 50 ausgegeben.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Form der Herzreaktion 40 approximiert werden, indem man die geschätzte mathematische Funktion von dem negati ven Impuls 70 des EKG-Signals 50 subtrahiert, oder umgekehrt. Die auf diese Weise bestimmte Herzreaktion 40 kann aufgrund der überlagerten Nebeneffekte oder wenn die geschätzte mathematische Funktion nicht vollständig mit dem eigentlichen Stimulationsimpulsschwanz 30 zusammenfällt, deformiert oder verzerrt sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben und viele der begleitenden Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstehen und nachvollziehen. Es zeigen:
1A einen typischen Stimulationsimpuls 10 bestehend aus einem Hauptimpuls 20 und einem Stimulationsimpulsschwanz 30:
1B ein Beispiel der Form einer Herzreaktion 40;
1C ein Beispiel der Form eines tatsächlichen EKG-Signals 50, das aus dem Stimulationsimpuls 10 resultiert, dem die Herzreaktion 40 des Patienten überlagert ist;
2 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen EKG-Messsystems; die 3A und 3B ein Beispiel für Signal-Clamping;
4 den negativen Impuls 70 des EKG-Signals 50 ohnevgendeine Herzreaktion;
4B den negativen Impuls 70 des EKG-Signals 50 mit der Herzreaktion 40; die 5A und 5B ein Kriterium zum Erkennen der Herzreaktion 40 auf dem EKG-Signal 50, das sogenannte Flächenkriterium;
6 ein weiteres Kriterium zum Erkennen der Herzreaktion 40 auf dem EKG-Signal 50, das sogenannte Steigungskriterium.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen EKG-Messsystems. Das EKG-Signal 50 wird mit einem A/D-Umsetzer 100 für einen oder mehrere unterschiedliche Elektroden/Kanäle abgetastet, z. B. mit 4 kHz. In einer Stimulationsimpuls-Erkennungseinheit 110 werden durch Algorithmen, wie sie in der Technik be kannt sind, Herzschrittmacher-Impulsspitzen, zum Beispiel der Hauptimpuls 20, erkannt. Nach der Erkennung der Herzschrittmacher-Impulsspitzen wird das EKG-Signal 50 durch einen Dezimierer 120 dezimiert, z. B. auf 500 Hz, und die erkannten Herzschrittmacher-Impulsspitzen und ihre Polarität werden in einigen der Bits, die die betreffenden Messwerte des Stimulationsimpulses 10 darstellen, markiert. Anschließend wird das EKG-Signal 50 in einer diagnostischen Bandbreite (z. B. 0,05 Hz bis 130 Hz) an ein EKG-Modul 130 übertragen.
Das EKG-Modul 130 leitet das EKG-Signal 50 oder ein entsprechendes, hiervon abgeleitetes Signal, an eine Anzeigeeinheit 140 und an eine Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 weiter. Die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 leitet an ihrem Ausgang ein modifiziertes EKG-Signal 160 an ein Kardiotachometer 170, das die Herzfrequenz zählt, und an weitere (nicht abgebildete) Einheiten, die das modifizierte EKG-Signal 160 eventuell benötigen. Das modifizierte EKG-Signal 160 ist ein Signal, das von dem EKG-Signal 50 abgeleitet wurde, wodurch die Stimulationsimpulse 10 des EKG-Signals 50 „zurückgewiesen" werden, was bedeutet, dass die vom Herzschrittmacher stammenden Signale mehr oder weniger unterdrückt werden. Im Idealfall umfasst das modifizierte EKG-Signal 160 nur die Herzreaktion 40. Das Kardiotachometer 170 empfängt das modifizierte EKG-Signal 160 und zählt also die Herzfrequenz basierend auf den QRS-Komplexen der Herzreaktion 40. Die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 könnte außerdem erkennen, ob die Herzreaktion 40 auftritt, und könnte anschließend entsprechende EKG-Alarmsignale erzeugen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel meldet das Kardiotachometer 170 die erkannte Herzfrequenz der Anzeigeeinheit 140 und erzeugt ein der Herzfrequenz entsprechendes Tonsignal (auch als QRS-Plop bezeichnet) für die Anzeigeeinheit 140. Das Kardiotachometer 170 leitet außerdem ein Signal an ein Alarmmodul 180, das entsprechend EKG-Alarmmeldungen erzeugt, zum Beispiel, für die Anzeigeeinheit 140 oder andere Einheiten, wenn erkannt wird, dass keine Herzreaktion 40 auftritt oder wenn eine andere Alarmbedingung vorliegt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel führt die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 ein sogenanntes Signal-Clamping für das eintreffende EKG-Signal 50 durch. Wenn die Stimulationsimpuls-Erkennungseinheit 110 einen Stimulationsimpuls 10 in dem EKG-Signal 50 erkennt, wird das modifizierte EKG-Signal 160 auf den Wert des eintreffenden EKG-Signals 50 gestellt, das gemessen wurde, kurz bevor der letzte Hauptimpuls 20 erkannt wurde. Dieser Wert wird als Basislinie beibehalten, bis die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 die Herzreaktion 40 in dem EKG-Signal 50 erkennt. Da es einige Millisekunden dauern kann, bis die Herzreaktion 40 erkannt ist, kann eine Verzögerungsleitung in die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 implementiert werden. Dies auch, um den Zeitpunkt, an dem die Signale vom Clamping freigegeben werden, zeitlich nach hinten zu verschieben.
In den 3A und 3B ist ein Beispiel für das Signal-Clamping dargestellt. In diesem Beispiel erkennt die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 die Herzreaktion 40 zu einem Zeitpunkt T2 (3A). Aufgrund der Verzögerungsleitung wird das Signal-Clamping bei T1 beendet und die Signale in 3B laufen zum Kardiotachometer 170, das die Herzreaktion 40 erkennen wird. Ohne Herzreaktion 40 wird das Clamping fortgesetzt, bis das Signal wieder zur Basislinie zurückgekehrt ist, und das Kardiotachometer 170 triggert nicht auf das Signal.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel führt die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 eine Signalsubtraktion durch. Eine approximierte Herzreaktion wird bestimmt, indem die geschätzte mathematische Funktion von dem negativen Impuls 70 des EKG-Signals 50 subtrahiert wird, oder umgekehrt. Die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 führt die approximierte Herzreaktion an ihrem Ausgang als modifiziertes EKG-Signal 160 dem Kardiotachometer 170 zu.
Erfindungsgemäß unterscheidet die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 die Herzreaktion 40 des Patienten-EKG-Signals 50 von dem Stimulationsimpuls 10 des Herzschrittmachers, indem sie die Fläche A' des negativen Impulses 70 des EKG-Signals 50 bestimmt. Bei den meisten Herzschrittmachern, vor allem bei unipolaren Herzschrittmachern, folgt die Form des Stimulationsimpulsschwanzes 30 einem exponentiellen Abklingen, so dass die theoretische mathematische Funktion des Stimulationsimpulsschwanzes 30 als exponentielle Funktion angenommen werden kann. Ausgehend von der Fläche A' des negativen Impulses 70 kann eine geschätzte mathematische Funktion des Stimulationsimpulsschwanzes 30 bestimmt werden. Die Zeitkonstante T der exponentiellen Funktion wird aus der Anfangsamplitude a und der Fläche A (die nahezu gleich A' ist) unterhalb der Funktion zwischen dem Zeitpunkt T0 und dem Zeitpunkt Te berechnet, wie durch die Gleichungen (1) bis (4) dargestellt. Es können aber auch, je nach Form des EKG-Signals 50, andere mathematische Funktionen zu diesem Zweck verwendet werden.
Die Formen der Stimulationsimpulse 10 eines betreffenden Herzschrittmachers variieren im Allgemeinen nur leicht, könnten aber auch durch Nebeneffekte wie Bewegungsartefakte oder den Wechsel der gemessenen Elektrode beeinflusst werden. In den meisten praktischen Anwendungen wird es daher erforderlich sein, die geschätzte mathematische Funktion des Stimulationsimpulsschwanzes 30 durch häufiges Bestimmen der Fläche A' des negativen Impulses 70 häufig zu „lernen". Eine geschätzte mathematische Funktion des Stimulationsimpulsschwanzes 30 wird dann „gelernt", z. B. alle paar Sekunden, und mit den tatsächlichen EKG-Signalen 50 der folgenden Herzschläge verglichen. Wenn eine erhebliche Differenz zwischen der geschätzten mathematischen Funktion, die erwartungsgemäß den „reinen" Stimulationsimpuls 10 des Herzschrittmachers darstellen soll, und den tatsächlichen EKG-Signalen 50 festgestellt wird, „erkennt" die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 die Herzreaktion 40 in dem EKG-Signal 50. In dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 dann das Clamping des Wertes des modifizierten EKG-Signals 160 stoppen und das Kardiotachometer 170 wird die Herzreaktion 40 „sehen".
Es hat sich gezeigt, dass wenn das Herz auf den Stimulationsimpuls 10 reagiert und eine Herzreaktion 40 überlagert wird, die Fläche A' des negativen Impulses 70 des EKG-Signals 50 nahezu der Fläche A des Stimulationsimpulsschwanzes 30 entspricht. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Herzreaktion 40 im Wesentlichen isoelektrisch ist, d. h. die Fläche oberhalb und unterhalb der Nulllinie ist gleich. Die erfindungsgemäße Berechnung der Form des Stimulationsimpulsschwanzes 30 kann daher unabhängig davon ausgeführt werden, ob die Herzreaktion 40 auftritt oder nicht.
In 4A ist der negative Impuls 70 des EKG-Signals 50 ohne irgendeine Herzreaktion 40 dargestellt. Es sind eine gelernte exponentielle Funktion 200 und ein tatsächlich gemessenes Signal 210 überlagert mit einer 50-Hz-Netzfrequenz zu sehen.
4B zeigt den negativen Impuls 70 des EKG-Signals 50 mit der Herzreaktion 40. Es sind die gelernte exponentielle Funktion 200 und ein tatsächlich gemessenes Signal 220 überlagert mit einer 50-Hz-Netzfrequenz zu sehen.
Um die Herzreaktion 40 in dem EKG-Signal 50 zu erkennen, können verschiedene Kriterien verwendet werden. Alle diese Kriterien müssen jedoch berücksichtigen, dass die geschätzte mathematische Funktion eventuell nicht 100% genau ist, d.h. sie kann gegenüber dem echten Stimulationsimpulsschwanz 30 versetzt sein oder leicht ungenaue Werte haben, z. B. die Zeitkonstante T der exponentiellen Funktion passt nicht vollständig zu dem Stimulationsimpulsschwanz 30. Außerdem können die EKG-Signale 50 eventuell eine diagnostische Bandbreite aufweisen, so dass alle Arten von Rauschen (z. B. 50 Hz oder 60 Hz Netzspannungsrauschen, Basislinien-Wanderung, Artefakte usw.) berücksichtigt werden müssen.
In den 5A und 5B ist ein Kriterium zur Erkennung der Herzreaktion 40 auf dem EKG-Signal 50 dargestellt, und zwar das sogenannte Flächenkriterium. In einem sich bewegenden Fenster 270 von fester Zeitdauer wird eine Fläche 250 zwischen einem tatsächlich gemessenen EKG-Signal 260 und der „gelernten" geschätzten mathematischen Funktion 200 berechnet. Das sich bewegende Fenster 270 wird mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, z. B. in Echtzeit, entlang der Zeitachse verschoben, wie durch den Pfeil 280 angegeben, d. h. die rechte Seite des sich bewegenden Fensters 270 stellt den zuletzt gemessenen Wert dar.
Die Größe des sich bewegenden Fensters 270, das heißt die seitliche Ausdehnung auf der Zeitachse, ist vorzugsweise so dimensioniert, dass die typische Breite der Herzreaktion 40 für die gewählte Art von Patient (z. B. Erwachsener, Kind oder Neugeborenes) abgedeckt wird. In diesem Fall muss die Größe des sich bewegenden Fensters 270 mindestens die Hauptaktivität abdecken, d.h. die Kammersystole oder R-Zacke der Herzreaktion 40. Außerdem wird im Fall von überlagerten periodischen Störungen, z. B. der Netzfrequenz (20 ms für 50 Hz oder 16,67 ms für 60 Hz) die Größe des sich bewegenden Fensters 270 vorzugsweise als ein Vielfaches der Periode der periodischen Störung bemessen. Wenn sich der Betrag der bezeichneten Fläche 250 innerhalb des sich bewegenden Fensters 270 um mehr als einen vorgegebenen Wert verändert, ist davon auszugehen, dass die Änderung aus der Herzreaktion 40 des Patienten resultiert und dass die Herzreaktion 40 „gesehen" werden kann. In diesem Fall wird das Signal-Clamping entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt, das Clamping des negativen Impulses 70 wird gestoppt und das EKG-Signal 50 wird ausgegeben, wie in 3B dargestellt.
Wenn keine Herzreaktion 40 auftritt, verändert sich die Fläche 250 innerhalb des sich bewegenden Fensters 270 nicht viel, auch wenn es vielleicht einen Versatz zwischen dem tatsächlich gemessenen EKG-Signal 260 und der „gelernten" geschätzten mathematischen Funktion 200 gibt oder wenn die Zeitkonstante T nicht genau ist.
Zu einem Zeitpunkt Tw steht der Wert der Fläche 250 zum ersten Mal nach Auftreten eines betreffenden Hauptimpulses 20 zw Verfügung. Die Zeit Tw wird durch den Anfang des erkannten Stimulationsimpulsschwanzes 30 zum Zeitpunkt T0 (vergleiche 1A) und die Größe des sich bewegenden Fensters 270 bestimmt. Wenn sich der Wert der Fläche 250 anschließend zumindest für einen Wert „Minimum Delta-Fläche" innerhalb einer Zeit „Maximum Delta-Zeit" ändert, ist zu erwarten, dass die Herzreaktion 40 „gesehen" werden kann, was bedeutet, dass man davon ausgeht, dass die Herzreaktion 40 vorhanden ist.
In 6 ist ein weiteres Kriterium zur Erkennung der Herzreaktion 40 auf dem EKG-Signal 50 dargestellt, und zwar das sogenannte Steigungskriterium. Vom Anfang des erkannten Stimulationsimpulsschwanzes 30 zum Zeitpunkt T0 (vergleiche 1A) an wird beobachtet, ob die Steigung des tatsächlich gemessenen EKG-Signals 260 um mehr als einen vorgegebenen Steigungswert in irgendeiner Richtung (positiv oder negativ) von der Steigung der „gelernten" geschätzten mathematischen Funktion abweicht. Ein weiteres Kriterium kann sein, dass die Steigung des tatsächlich gemessenen EKG-Signals 260 um mehr als den vorgegebenen Steigungswert und über einen Zeitraum, der länger als ein vorgegebener Zeitwert ist, von der Steigung der „gelernten" geschätzten mathematischen Funktion abweicht. Wenn der vorgegebene Steigungswert überschritten wird und länger ist als der vorgegebene Zeitwert, ist zu erwarten, dass dies auf die Herzreaktion 40 des Patienten zurückzuführen ist und dass die Herzreaktion 40 zu „sehen" ist.
Im Fall, dass das tatsächlich gemessene EKG-Signal 260 durch ein periodisches Signal gestört werden könnte, zum Beispiel durch das Netzspannungsrauschen, muss der Zeitwert zum Überschreiten des vorgegebenen Steigungswertes größer sein als ein Viertel der Periode des Störsignals.
Bei Echtzeitsystemen wird die Zeitkonstante T der exponentiellen Funktion aufgrund möglicher CPU-Laufzeit-Einschränkungen vorzugsweise nicht mathematisch bei Laufzeit berechnet, sondern wird von einer Konstantentabelle abgeleitet. Die Konstantentabelle, z. B. eine Konstantendatei, enthält vorzugsweise eine Matrix von normalisierten Flächenwerten A für verschiedene Werte von Te und verschiedene Werte von T.
Die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 sucht vorzugsweise in der Konstantentabelle nach einem Flächenwert A*, der größer als der gemessene Flächenwert A' ist, und nach einem Flächenwert A**, der kleiner als der gemessene Flächenwert A' ist. Anschließend berechnet die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 den T-Wert der gemessenen Fläche A' durch eine lineare Interpolation der zu den Flächenwerten A* und A** gehörenden T-Werte.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die exponentielle Funktion nicht mit Hilfe einer mathematischen Funktion berechnet, z. B. durch Bibliothekfunktionsaufrufe oder durch Berechnen der ersten Elemente einer mathematischen Progression. Aufgrund möglicher CPU-Laufzeit-Beschränkungen berechnet die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 jeden neuen Wert e_n der exponentiellen Funktion aus dem vorhergehenden Wert e_n–1, und zwar mit der folgenden Gleichung: en = c1*en–1 (5)wobei c₁ eine Konstante ist, die von der Zeitkonstanten T der exponentiellen Funktion abhängt, und die Werte e_n, e_n–1, e_n–2 ... der exponentiellen Funktion den gleichen zeitlichen Abstand haben. Die Konstante c₁ wird vorzugsweise einer Nachschlagetabelle (z. B. einer Konstantendatei) entnommen.
Die „Endzeit" Te für die Flächenberechnung wird vorzugsweise eingestellt, wenn das EKG-Signal 50 für eine bestimmte Zeit nahe der Basislinie ist. Te sollte jedoch aufgrund der ungenauen T-Werte nicht zu kurz sein, und auch nicht zu lang sein, weil dann ein falscher T-Wert ermittelt werden könnte, wenn Artefakte in dem EKG-Signal 50 auftreten.

Die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 umfasst geeignete Mittel, um die Fläche A' des negativen Impulses 70 zu ermitteln, um eine geschätzte mathematische Funktion aus der bestimmten Fläche A' zu ermitteln, und um die geschätzte mathematische Funktion 200 zusammen mit dem EKG-Signal 50 zu evaluieren. Das Mittel zum Evaluieren der geschätzten mathematischen Funktion zusammen mit dem EKG-Signal umfasst vorzugsweise entweder Mittel zum Bestimmen der zwischen dem EKG-Signal 260 und der geschätzten mathematischen Funktion 200 eingeschlossenen Fläche 250 innerhalb des sich bewegenden Fensters 270, oder Mittel zum Bestimmen einer Steigung des EKG-Signals 260 zu einem bestimmten Zeitpunkt. In letztgenanntem Fall umfasst die Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit 150 außerdem Mittel zum Ermitteln einer Steigung der geschätzten mathematischen Funktion 200 zu diesem bestimmten Zeitpunkt, und Mittel zum Vergleichen der ermittelten Steigung des EKG-Signals 260 mit der ermittelten Steigung der geschätzten mathematischen Funktion 200 zu diesem bestimmten Zeitpunkt. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel umfasst weiterhin Mittel zum Erkennen eines Hauptimpulses 20 und Mittel zum Einstellen des modifizierten EKG-Signals 160 auf einen Wert des EKG-Signals 50, der gerade vor dem Auftreten dieses Hauptimpulses 20 gemessen wurde, bis die Herzreaktion 40 in dem EKG-Signal 50 erkannt wird. Alle diese Mittel werden vorzugsweise durch geeignete elektronische Schaltungen (Hardware), durch entsprechende Software-Module oder Kombinationen hiervon implementiert. TEXT IN DER ZEICHNUNG Figur 2

ECG signal	EKG-Signal
A/D	A/D-Umsetzer
Pace pulse detection	Erkennung der Stimulationsimpulse
Down sampling	Dezimierung
Alarm module	Alarmmodul
Alarms	Alarmmeldungen
ECG module	EKG-Modul
Cardiotach	Kardiotachometer
Mod. ECG signal	modifiziertes EKG-Signal
Pace pulse rejection	Rückweisung der Stimulationsimpulse

Figur 5B

Min. delta area	Min. Delta-Fläche
Zero area	Null-Fläche
Area value	Flächenwert
Max. delta time	Max. Delta-Zeit

Figur 6

Min. time of slope limit violation

Min. Zeit der Steigungswert-Überschreitung

Claims

System zum Erkennen einer Herzreaktion (40) in einem EKG-Signal (50) eines Patienten mit einem einen Stimulationsimpuls (10) emittierenden Herzschrittmacher, indem mathematisch festgestellt wird, dass das Signal, welches auf den Stimulationsimpulspeak folgt, eine exponentielle Dämpfung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das System Folgendes umfasst: Mittel (150) zum Bestimmen einer Fläche (A') eines Impulses (70) des EKG-Signals (50), das den Stimulationsimpulsschwanz (30) des Stimulationsimpulses (10) enthält; Mittel (150) zum Bestimmen einer geschätzten mathematischen Funktion des Stimulationsimpulsschwanzes (200) aus der bestimmten Fläche (A'), die wie folgt berechnet wird: A' ≈ A = –a*T *(exp -Te/T –1) (1)wobei a die Amplitude des negativen Impulses 70 zu einem Zeitpunkt T0 = 0 als Startzeit des Stimulationsimpulsschwanzes 30 darstellt; Te eine „Endzeit" der exponentiellen Funktion darstellt, wobei Te so einzustellen ist, dass die Fläche A' der exponentiellen Funktion zwischen T0 und Te groß genug ist und mindestens die Herzreaktion 40 abdeckt; A' die Fläche des negativen Impulses 70 zwischen T0 und Te darstellt; und T die Zeitkonstante der exponentiellen Funktion darstellt, und Mittel (150) zum Evaluieren der geschätzten mathematischen Funktion (200) zusammen mit dem EKG-Signal (50), um die Herzreaktion (40) von dem Stimulationsimpuls zu trennen und zu erkennen.
System nach Anspruch 1, wobei die Mittel (150) zum Evaluieren der geschätzten mathematischen Funktion (200) zusammen mit dem EKG-Signal (50) Folgendes umfassen: Mittel (150) zum Bestimmen der zwischen dem EKG-Signal (260) und der geschätzten mathematischen Funktion (200) eingeschlossenen Fläche (250) innerhalb eines vorgegebenen Fensters (270).
System nach Anspruch 1, wobei die Mittel (150) zum Evaluieren der geschätzten mathematischen Funktion (200) zusammen mit dem EKG-Signal (50) Folgendes umfassen: Mittel (150) zum Bestimmen einer Steigung des EKG-Signals (50, 260) zu einem bestimmten Zeitpunkt, Mittel (150) zum Bestimmen einer Steigung der geschätzten mathematischen Funktion (200) zu einem bestimmten Zeitpunkt, und Mittel (150) zum Vergleichen der ermittelten Steigung des EKG-Signals (50, 260) mit der ermittelten Steigung der geschätzten mathematischen Funktion (200) zu diesem bestimmten Zeitpunkt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin Folgendes umfasst: Mittel (110) zum Erkennen eines Hauptimpulses (20) des Stimulationsimpulses (10) in dem EKG-Signal (50), und Mittel (150) zum Einstellen eines Ausgangssignals (160) auf einen Wert des EKG-Signals (50), der gerade vor dem Auftreten dieses Hauptimpulses (20) gemessen wurde, bis die Herzreaktion (40) in dem EKG-Signal (50) erkannt wird.
System nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 3, das weiterhin Folgendes umfasst: Mittel (110) zum Erkennen eines Hauptimpulses (20) des Stimulationsimpulses (10) in dem EKG-Signal (50), und Mittel (150) zum Approximieren der Form der Herzreaktion (40) durch Subtrahieren der geschätzten mathematischen Funktion (200) von dem Impuls (70) des EKG-Signals (50) mit dem Stimulationsimpulsschwanz (30) des Herzschrittmachers.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin Folgendes umfasst: eine Stimulationsimpuls-Rückweisungseinheit (150) zum Erkennen der Herzreaktion (40) in dem EKG-Signal (50) und zum Erzeugen eines modifizierten EKG-Signals (160) durch Unterdrücken der Stimulationsimpulse (10) in dem EKG-Signal (50), und ein Kardiotachometer (170) zum Zählen der Herzfrequenz des Patienten ausgehend von dem modifizierten EKG-Signal (160).