DE69732757T2

DE69732757T2 - Verfahren und Anlage für QRS-Dektektion

Info

Publication number: DE69732757T2
Application number: DE69732757T
Authority: DE
Inventors: Ziad Fawaz Elghazzawi
Original assignee: Draeger Medical Systems Inc
Current assignee: Draeger Medical Systems Inc
Priority date: 1996-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2017-12-17
Also published as: EP0848335B1; DE69732757D1; US5697378A; ATE291257T1; EP0848335A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ausgangssignalen mit verringertem Rauschen aus einer Vielzahl von Eingangssignalen, welche jedes ein sich wiederholendes Phänomen aufweisen. Genauer kombinieren das Verfahren und die Vorrichtung die Signale von mehreren Elektrokardiogramm-(ECG) Leitungen, um ein Ausgangssignal mit reduziertem Rauschen bereit zustellen, aus welchem QRS-Komplexe mit verbesserter Genauigkeit detektiert werden können.
Rauschminderung ist für eine Anzahl von signalverarbeitenden Bereichen wichtig, so in der Elektrokardiologie, in der Elektroenzephalographie, der Datenübertragung etc. Durch Bereitstellen einer Rauschminderung kann ein bestimmtes Signal in einer Weise genutzt werden, so dass die unerwünschten Effekte des Rauschens im Wesentlichen vermindert sind.
In der Elektrokardiographie zum Beispiel sind die QRS-Komplexe häufig schwierig eindeutig und zuverlässig in einer Vielzahl von erfassten ECG-Signalen zu detektieren, da Rauschen in den ECG-Signalen vorhanden auftritt. Daher ist die genaue Herzfrequenz-(z. B. Arithmia)Überwachung durch falsche Positivdetektierung von QRS-Komplexen beeinträchtigt, welche durch Rauschen von nicht das Herz betreffendem Ursprung hervorgerufen wird. Nicht das Herz betreffendes Rauschen kann zum Beispiel durch Skelettmuskulaturaktionen erzeugt werden. Die genaue Detektierung von sich wiederholenden QRS-Komplexen ist ein zentraler Punkt der zuverlässigen Herzfrequenzüberwachung.
Eine Technik gemäß dem Stand der Technik, die üblicherweise angewendet wird, um nicht das Herz betreffendes Rauschen an dem Herabsetzen der Genauigkeit der QRS-Komplexdetektierung zu hindern, ist das Leitungsschalten (lead switching). Das heißt, das Verhältnis Signal-zu-Rauschen von jeder ECG-Signalleitungen wird bestimmt und nur diese, in welchen das Signal-zu-Rauschen Verhältnis einen vorbestimmten Schwellpegel übertrifft, werden für die QRS-Ermittlungen verwendet. Diese Technik ist etwas unerwünscht, da selbst ECG-Signale mit niedrigen Signal-zu-Rauschen-Verhältnissen können selbst nützliche Informationen enthalten. Weiterhin, obwohl es auch verschiedene Anordnungen zum Filtern von ECG-Signalen gibt, um das Rauschen darin zu reduzieren, verbleibt immer noch ein Bedarf zum Bereitstellen von genauen und eindeutiger QRS-Ermittlung in einer einfacheren und zuverlässigeren Weise.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung weist die Merkmale auf, welche im Anspruch 1 spezifiziert sind.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung weist die Merkmale auf, welche in Anspruch 11 spezifiziert sind.
Ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Schritte:

(a) Erhalten einer korrespondierenden Vielzahl an empfangenen Signalen aus einer Vielzahl von Sensoren, welche in Bezug auf die Signalquelle positioniert sind, so dass diese beansprucht sind für eine eindeutige Repräsentation eines sich wiederholenden Phänomens, welches von der Signalquelle appliziert wird, in welchen Rauschen vorkommen kann,
(b) Detektieren des Auftretens des Phänomens in jedem aus der Vielzahl der empfangenen Signale,
(c) Detektieren der Signalstärke des Phänomens in jedem aus der Vielzahl von empfangenen Signalen und
(d) additives Kombinieren der Vielzahl von empfangenen Signalen zusammen, um ein kombiniertes Signal bereitzustellen, wobei jedes empfangene Signal eine Gewichtung in dem kombinierten Signal aufweist, welches direkt proportional zu der Signalstärke seines Phänomens wie in dem vorhergehenden Schritt detektiert ist, wobei das Ausgangssignal aus dem kombinierten Signal gebildet wird.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie diese effektiv umgesetzt werden kann, wird nun in exemplarischer Weise Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, in denen:
1 in einer Blockdiagrammform einen Patientenüberwachungsmonitor zeigt, der in Übereinstimmung mit dem Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist, und
2 Wellenformen zeigt, die nützlich für das Verständnis des Blockdiagramms gemäß 1 sind.
Wie in 1 gezeigt, ist jede der Vielzahl (z. B. 2 bis 12) an physiologischen (ECG) Signalleitungen 4 mit einem Patienten 2 unter Verwendung einer entsprechenden Vielzahl an Sensoren (nicht dargestellt) verbunden. Zu Ermittlung von QRS-Komplexen an den Leitungen 4, wird das Signal, welches von jeder Leitung übermittelt wird, zuerst mittels eines Tiefpassfilters (low pass filter LPF) 6 gefiltert, und wird dann mittels eines Hochpassfilters 8 gefiltert. Ein ECG-Front-End von bekanntem Typ ist und der herkömmlich in Patientenüberwachungsmonitoren verwendet wird (und deshalb nicht dargestellt ist), erstellt elektrische Signale an den Leitungen 4, welche repräsentativ für die ECG-Daten sind, die von den Patienten erhalten werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der interessierende Frequenzbereich für die QRS-Komplexe zwischen 5 und 16 Hz und daher beträgt die Abschaltfrequenz für den LPF 6 16 Hz und die Eckfrequenz für HPF 8 beträgt 5 Hz.
In einer digitalen Implementierung des dargestellten Ausführungsbeispiels kann HPF 8 eine Summation aus erster und zweiter Differenzoperation umfassen.
Die erste Differenzoperation (fd) wird definiert als: fd[i] = abs(data[i + 3] – data[i – 3]);die zweite Differenzoperation (sd) wird definiert als: sd[i] = abs(fd[i + 3] – fd[i – 3]);und
die Gesamtdifferenz-(td)Ausgabe wird definiert als: td[i] = fd[i] + sd[i]; wobei data[i] die i-te Abfrage bzw. Probe (sample) jedes einkommenden ECG-Leitungssignals 4 ist, fd[i] der absolute Wert der i-ten Abfrage der ersten Differenz jedes einkommenden ECG-Leitungssignals 4 ist, sd[i] der absolute Wert der i-ten Abfrage der zweiten Differenz jedes einkommenden ECG-Leitungssignals 4 ist und td[i] die i-te Abtastung oder Abfrage des absoluten Werts der gesamten Differenz ist, welcher/s aus der Summation des absoluten Wertes der ersten und der zweiten Differenz besteht. „ABS" ist die Absolutwertfunktion.
In dem dargestellten Beispiel werden die Differenzoperationen durchgeführt mit ECG-Signalabtastungen, die mit einer Abtastrate von 250 Abtastungen pro Sekunde digitalisiert wurden. Daher ist das Ergebnis bei Verwendung von Abtastungen, die um 6 voneinander beabstandet sind, die HPF-Eckfrequenz von 5 Hz. In einer unterschiedlichen Applikation, zum Beispiel zum Ermitteln einiger anderer sich wiederholender Phänomene, kann ein anderer Abtastabstand oder ein anderes Filterschema bevorzugt sein.
Die ECG-Leitungen 4 werden auch an einem QRS-Detektor verwendet, der im Wesentlichen einem herkömmlichen Design entspricht, außer wie später noch beschrieben wird, wobei auf herkömmliche Weise die Amplitude des QRS-Komplex für jeden ermittelten QRS-Komplex an jeder Leitung 4 berechnet wird. Eine separates gleitendes Mittel (QRS-Amplitudendurchschnitt) für die QRS-Amplituden wird für jede ECG-Leitung 4 gehalten.
Parallel dazu reagiert ein Artefaktprüfer 11 an jeder der Leitungen 4, um jede Leitung hinsichtlich Tieffrequenz-(LF) und Hochfrequenz-(HF)Artefakte zu prüfen. Der Artefaktprüfer 11 kann einen Aktivitätsprüfer von dem Typ umfassen, der dem Fachmann, welcher sich in dieser Technologie auskennt, bekannt ist, so wie ein Prüfer, der die Frequenz an Amplitudenauslenkungen des ECG-Signals zählt, die über einer vorbestimmten Grenzamplitude liegen, um die LF- und HF-Aktivität zu bestimmen.
Falls kein Tieffrequenz- oder Hochfrequenzartefakt an einer gegebenen Leitung vorhanden ist, wird diese Tatsache einem proportionalen Addierer 10 angezeigt, wodurch angezeigt wird, dass diese Leitung durch den Addierer 10 eingeschlossen wird, um mit einer anderen der ECG-Leitungen 4 kombiniert zu werden, in Übereinstimmung mit der Summationsgleichung, welche unten dargestellt ist, um ein kombiniertes (comb) Signal zu erzeugen, welches Rauschgemindert ist, das für die QRS-Detektion verwendet wird.
Genauer operiert der Addierer 10 in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung:
zum gemeinsamen Addieren der QRS-Komplexe aus verschiedenen ECG-Signalen, welche detektiert worden sind, keine exzessiven LF- oder HF-Artefakte aufzuweisen.
In der vorstehenden Gleichung, ist comb[i] die i-te Abtastung des kombinierten ECG-Signals, welches an dem Ausgang des proportionalen Addieres 10 bereitgestellt wird, QRS-AmplitudenDurchschnitt[j] ist das gleitende Mittel der QRS-Amplitude an der j-ten Leitung (wie mittels Detektor 14 bestimmt), td[i, j] ist die i-te Abtastung des absoluten Werts des Gesamtdifferenzsignals an der j-ten Leitung, bereitgestellt an den proportionalen Addierer 10 mittels HPF 8 und N ist die Gesamtanzahl von ECG-Leitungen, welche als brauchbar von dem Artefaktdetektor 11 identifiziert wurden.
Das Ergebnis der Verarbeitung, implementiert durch die Gleichung ist eine Summierung der QRS-Komplexe, für die der N Leitungen die verwendet werden, in Übereinstimmung mit ihrer relativen Gewichtung. Eine Normalisierung wird durch Division des Zählers durch die Summe des gleitenden Mittels der QRS-Amplituden an allen der verwendeten N Leitungen erzielt. Eine Kombination der verschiedenen ECG-Signale von verschiedenen Leitungen in Übereinstimmung mit der Technik gemäß dieser Erfindung verbessert das Signal der QRS-Komplexe, wodurch die Qualität des Signals zur Verwendung durch den QRS-Detektor verbessert wird.
Am Anfang wird ein gleitendes Mittel der QRS-Amplitude, das heißt die Gewichtung einer (QRS-Amplitude) dem QRS-Komplex einer jeden Leitung, welche durch den Addierer 10 verwendet, wird zugeordnet. Danach wird die Gewichtung in Übereinstimmung mit den bestimmten gleitenden Mitteln, welche mittels des QRS-Detektors 14 bereitgestellt werden angepasst, so dass das gleitende Mittel der QRS-Amplitude, welches an dem proportionalen Addierer 10 anliegt, immer der Gewichtung des aktuellen QRS, für welchen dieses gerade verwendet wird hinterher hängt.
Als nächstes wird in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel das kombinierte Signal quadriert, bevor es an den QRS-Detektor eingespeist wird. Wie bekannt, resultiert das Quadrieren von Signalen mit großen und kleinen Komponenten in einer Verstärkung der großen Komponenten und einer Schwächung der kleinen Komponenten. Zusätzlich kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel das quadrierte Signal für eine weitere Verminderung jeglichen möglichen auftretenden Rauschens auch tiefpassgefiltert werden.
Die Verbesserung/Verstärkung des QRS-Komplexes in Übereinstimmung mit der Erfindung ist in 2 dargestellt, bei der die Wellenform 20 das ECG-Signal an Leitung II darstellt und die Wellenform 22 das ECG-Signal an der Leitung V darstellt. Zu beachten ist, dass ein signifikantes Rauschen in den Signalen vorhanden ist und das obwohl die QRS-Komplexe zeitlich korreliert sind, sie keine ähnlichen Amplitudencharakteristiken aufweisen. Die Wellenform 24 zeigt das quadrierte Signal, welches durch den Schaltkreis 12 für die Kombination von Leitung II und V bereitgestellt wird. Zu bemerken ist, wie „sauber" die QRS's in den quadrierten Signalen sind, wodurch sehr stark die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des QRS-Detektors erhöht ist.
Zuletzt analysiert der QRS-Detektor 14 das quadrierte comb-Signal zur QRS-Ermittlung durch Suchen nach dem Vorhandensein von R-Wellen. Die Suche nach R-Wellen wird mittels konventioneller Techniken durchgeführt, so mittels Suchen nach Amplitudenspitzen, die einen bestimmten Detektionsgrenzwert überschreiten, wobei der Grenzwert dynamisch angepasst wird gemäß dem durchschnittlichen Timing und der Amplitude von vorhergehenden Kandidaten, die als QRS-Komplex mittels des QRS-Detektors gekennzeichnet wurden. Das ermöglicht dem QRS-Detektor sich an Wechsel der Herzfrequenz und der Signalamplitude anzupassen.
Wie es auch üblich ist, gibt es einen Keine-Detektion oder einen refraktorischen Zeitabschnitt von 170 msek nach der Identifikation eines QRS. Während dieses refraktorischen Zeitabschnitts können keine QRS-Komplexe ermittelt werden, wodurch eine Unterstützung erfolgt, dahingehend, dass T-Wellen als R-Wellen detektiert werden. Nach diesem refraktorischen Zeitabschnitt sinkt der QRS-Ermittlungsgrenzwert linear bis er 6% des vorhergehenden R-Wellenamplitudenwerts erreicht.
Der Ausgang des QRS-Detektors 14 wird dann an den Rest 16 des Patientenüberwachungsmonitors angelegt, gemäß einem herkömmlichen Design, um eine Überwachung der Herzfrequenz und Arrithmia des Patienten 2 bereit zustellen.
Somit wird eine neue QRS-Detektoranordnung gezeigt und beschrieben, welche eine Vielzahl ECG-Leitungen kombiniert in Übereinstimmung mit der Stärke ihrer individuellen QRS-Komplexe. Als ein Ergebnis werden die R-Wellenkomponenten der QRS gegenüber dem Rauschen verstärkt, da die R-Wellen an zwei Leitungen zur gleichen Zeit auftreten, wobei dies beim Rauschen nicht geschieht. In anderen Worten werden die R-Wellen über die Leitungen korreliert, wohingegen Rauschen nicht korreliert werden kann. Diese Verstärkung führt zu einer verbesserten Sensitivität und einer positiven Vorhersagbarkeit von QRS-Detektionen. Folglich treten weniger falsche positive QRS-Detektionen auf, was wiederum zu weniger Fehlalarmen führt. Viele Veränderungen. Modifikationen, Variationen und andere Verwendungen und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann deutlich unter Berücksichtigung dieser Spezifikation und den begleitenden Zeichnungen, welche ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel hiervon offenbaren. Zum Beispiel kann ein wiederholendes Signalphänomen an einer Vielzahl von Leitungen, welche keine QRS-Komplexe sind, verarbeitet werden in Übereinstimmung mit den Prinzipien dieser Erfindung, so zum Beispiel EEG-Signal etc. Darüber hinaus, kann, obwohl ein QRS-Amplitudenpegel als ine Signalstärkenindikator zu Ermittlung der proportionalen Gewichtung eines jeden ECG-Signals, welches verwendet wird um das kombinierte Signal zu erzeugen, verwendet wird ein unterschiedlicher Typ einer Signalstärkeindikatormessung verwendet werden, um die proportionale Gewichtung zu bestimmen, so wie das relative Signal-zu-Rauschen-Verhältnis eines jeden ECG-Signals. Zusätzlich können andere Typen der Filtrierung der Vielzahl an ECG-Signale oder des kombinierten Ausgangssignals verwendet werden. All diese Änderungen, Modifikationen, Variationen und andere Verwendungen und Anwendungen, welche nicht den Geltungsbereich der beanspruchten Erfindung verlassen, werden durch die Erfindung abgedeckt, welche lediglich durch die folgenden Ansprüche begrenzt ist.

Claims

Verfahren zum Verringern von Rauschen in einem Ausgangssignal, das aus einer Anzahl an Eingangssignalen erzeugt wurde, die sich wiederholende Phänomene anzeigen, die von einer physikalischen Signalquelle erzeugt werden, wobei das Verfahren die Schritte des Empfangens eines entsprechenden Empfangssignales von jedem aus der Anzahl an Sensoren und das Detektieren des Auftretens der Phänomene in jedem aus der Anzahl der empfangenen Signale umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen der Signalstärke der Phänomene in jedem aus der Anzahl der empfangenen Signale; und additives Kombinieren der Anzahl der Anzahl der empfangenen Signale miteinander, um ein kombiniertes Signal zu erzeugen, wobei jedes empfangene Signal ein Gewicht im kombinierten Signal hat, welches direkt proportional zur Signalstärke der Phänomene in jenem Signal, wie im vorherigen Schritt bestimmt, ist, und Gewinnen des Ausgangssignals aus dem kombinierten Signal.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Detektierungsschritt auf das Ausgangssignal anspricht, welches durch den Kominationsschritt erzeugt wurde, um Zeitgebungsinformationen zu bestimmen, welche für das Detektieren des Auftretens der Phänomene in jedem aus der Anzahl der empfangenen Signale notwendig sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend einen Filterschritt, der vor dem additiven Kombinationsschritt ausgeführt wird, um jedes aus der Anzahl der empfangenen Signale in einem Frequenzbereich, der ausschließlich ein gegebener Frequenzbereich der sich wiederholenden Phänomene ist, zu filtern.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Filterschritt das Filtern jedes der empfangenen Signale mit einem Tiefpassfilter, gefolgt von einem Hochpassfilter, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Tiefpassfilter Signale unterhalb des gegebenen Frequenzbereichs durchlässt und der Hochpassfilter Signale oberhalb des gegebenen Frequenzbereichs durchlässt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die sich wiederholenden Phänome einen gegebenen Frequenzbereich aufweist und jedes der empfangenen Signale bezüglich einer Signalaktivität überprüft wird, welche einen gegebenen Schwellwert in mindestens einem Frequenzbereich oberhalb oder unterhalb des gegebenen Frequenzbereichs überschreitet, und ein empfangenes Signal, das eine Signalaktivität aufweist, welche den gegebenen Schwellenwert in mindestens einen der gegebenen Frequenzbereiche überschreitet, in dem additiven Kombinationsschritt nicht verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend den Schritt des Quadrierens des kombinierten Signals zum Erzeugen eines quadrierten Signals als Ausgangssignal.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Detektierungsschritt einen Amplitudendetektierungsschritt, der auf das Ausgangssignal anspricht, umfasst, um das Auftreten der sich wiederholenden Phänomene auf das Detektieren eines Signalniveaus im Ausgangssignal, das einen gegebenen Amplitudenschwellwert übersteigt, zu detektieren.
Verfahren nach Anspruch 8, weiter umfassend einen Schritt des Unterziehens des Ausgangssignals einer Tiefpassfilterung, bevor es an den Amplitudendetektor angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die sich wiederholenden Phänome einen QRS-Komplex umfassen und die Signalquelle einen medizinischen Patienten umfasst.
Vorrichtung zum Verringern des Rauschens in einem Ausgangssignal, das aus einer Anzahl an Eingangssignalen erzeugt wurde, welche sich wiederholende Phänome anzeigen, die von einer physikalischen Signalquelle (2) erzeugt werden, wobei die Vorrichtung Signalempfangsmittel (4) aufweist, die dafür ausgelegt sind, an eine Anzahl an Sensoren gekoppelt zu werden, um eine Anzahl an empfangenen Signalen zu erhalten, und Signaldetektierungsmittel zum Detektieren des Auftretens der Phänomene in jedem aus der Anzahl an empfangenen Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiter folgendes umfasst: Mittel zur Bestimmung der Signalstärke, welche auf die Anzahl an empfangenen Signalen ansprechen, um die Signalstärke des Phänomens in jedem aus der Anzahl der empfangenen Signale zu bestimmen; und Proportionaladditionsmittel (10), die auf die Anzahl an empfangenen Signalen und die die Signalstärke bestimmenden Mittel ansprechen, um die Anzahl an empfangenen Signalen additiv miteinander zu kombinieren, um ein kombiniertes Signal zu erzeugen, wobei jedes empfangene Signal ein Gewicht im kombinierten Signal aufweist, das direkt proportional zur Signalstärke der Phänomene in jenem Signal ist, wie durch das Mittel zur Bestimmung der Signalstärke bestimmt, und wobei das Ausgangssignal vom kombinierten Signal erhalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Signaldetektierungsmittel auf das Ausgangssignal anspricht, das vom Proportionaladditionsmittel erzeugt wird, um die Zeitgebung für die Detektierung des Auftretens der Phänomene in jedem aus der Anzahl der empfangenen Signale zu bestimmen.