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Hintergrund
der Erfindung
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren des Körperoberflächen-Mapping, insbesondere
zur Verwendung bei der Diagnose verschiedener Erkrankungen des menschlichen
Myokards. Es gibt verschiedene Verfahren, welche dem Kardiologen
die in einem EKG (Elektrokardiogramm) enthaltenen Informationen
bereitstellen, von denen das erfolgreichste das Standard-EKG mit
zwölf Ableitungen
war. Bedauerlicherweise kann das Standard-EKG in vielen Fällen keine
schlüssige
Diagnose bereitstellen. Eine besondere Komplikation, welche das
EKG mit 12 Ableitungen nahezu unbrauchbar macht, beinhaltet die Diagnose
des akuten MI (Myokardinfarkts) bei Vorliegen eines LBBB (Linksschenkelblocks).
Selbst bevor das übliche
EKG mit zwölf
Ableitungen zum medizinischen Standard wurde, untersuchte man das
elektrokardiographische Körperoberflächen-Mapping (BSM)
als ein Verfahren, das die räumliche
Auflösung steigert
und dadurch die diagnostische Fähigkeit
verbessert.
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Diese „Maps" wurden als Bilder,
die Linien darstellen, die Bereiche des gleichen elektrischen Potenzials
(Isopotenziale) an einem spezifizierten Zeitpunkt miteinander verbinden,
angesehen. Dies wird in 1 gezeigt, bei der es sich um
eine isopotenzielle Map von einem normalen gesunden Menschen halbwegs
durch die QRS-Dauer (ventrikuläre Depolarisation)
des Herzens handelt. In 1 wurde die Map auf die Kontur
eines menschlichen Torsos überlagert,
und sie wird von multiplen EKG-Elektroden, die weitgehend vollkommen
um den Torso, von der anterioren (der linken Seite von 1)
bis zur posterioren Seite (der rechten Seite von 1)
lokalisiert sind, erhalten. Da jede Map die Isopotenziale von nur
einem einzelnen Punkt zur gegebenen Zeit zeigt, ist – wenn man
das gesamte elektrische „Bild" sehen möchte – die Ansicht
aufeinanderfolgender Maps bei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten von durchweg
mindestens einem Teil des Herzzyklus erforderlich. Auf diese Weise
ist das BSM jedoch schwer zu verwenden und aufgrund dessen wurde umfangreiche
Forschung durchgeführt,
in dem Versuch, die Vorteile des BSM in einer schnell und leicht zu
verwendenden Form anzubieten.
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Es
wurden Verfahren zur Darstellung der BSM-Information als mathematische
Integrationen der EKG-Wellenformen eingeführt, die von jedem einzelnen
Elektrodenort registriert werden. Die Idee zur Integration eines
EKG-Signals über
ein prädefiniertes Intervall
wurde zuerst von Wilson konzipiert und wird ausführlich in seiner Veröffentlichung
FN Wilson et al. „The
Determination and the Significance of the Areas of the Ventricular
Deflections of the Electrocardiogram", The American Heart Journal, Vol. 10, Seiten
46–61,
1934, beschrieben. Unter Verwendung dieser mathematischen Integration über alle
EKG-Signale, die über
die Körperoberfläche hinweg
registriert werden, ermöglicht
die Erstellung von Maps, die die Körperoberläche als Linien darstellen,
welche Bereiche miteinander verbinden, die die gleichen Integralwerte
besitzen. Die Integrationen wurden über prädefinierte Zeitintervalle des
EKGs durchgeführt. Derartige
isointegrale Maps haben gezeigt, dass außerhalb des räumlichen
Umfangs des Standard-EKGs mit zwölf
Ableitungen mehr Informationen vorhanden sind, die von einem Kliniker
zur Verbesserung des Patientenmanagement verwendet werden könnten. Diese
isointegralen Maps haben ihre Fähigkeit
bei der Bereitstellung einer akkuraten Diagnose bei akuten Fällen, bei
denen das Standard-EKG mit zwölf
Ableitungen unschlüssig
war, unter Beweis gestellt. Diese Informationen werden jedoch als
ein Muster, entweder in der Form von Konturen, Farben oder dreidimensionalen
grafischen Darstellungen dargestellt. Eine auf Kenntnissen basierende
Diagnose muss dann durch Vergleich der von dem jeweilig untersuchten
Patienten erhaltenen Muster im Vergleich zu denen, die zuvor von
anderen Patienten mit bekannten Erkrankungen erfahren wurden, gestellt
werden.
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Der
Bedarf an Automatisierung und einer Steigerung der Geschwindigkeit
der Diagnose führte zur
Verwendung eines Diskriminanztyps statistischer Funktionen, die
als Input die integralen Werte vom Erfassungsgerät empfangen und einen statistischen Index
der Likelihood erstellen können,
dass jeder gegebene Mensch einem prädefinierten Set diagnostischer
Gruppen angehört.
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Die
mathematische Beschaffenheit dieser Isointegralen stellt eine Plattform
bereit, die sich ohne weiteres zur Verwendung von Computern anbietet, wodurch
eine diagnostische Bewertung in minimaler Zeit ermöglicht wird.
Aufgrund der Integration in Bezug auf die Zeit der EKG-Signale wie
auch der Verwendung einer statistischen Analyse, welche die Beschaffenheit
des elektrischen Feldes des Herzens unberücksichtigt lässt, versagen
die isointegralen Maps jedoch weiterhin, in einigen Fällen eine
Diagnose bereitzustellen. Dies tritt hauptsächlich auf, weil die Diskriminanzfunktion
Informationswerte von spezifischen Elektrodenorten verwendet, die
hinsichtlich ihrer Relevanz für
die zu untersuchende Erkrankung gewichtet wurden. Ein noch weiterer
BSM-Apparat, der sich die ST-Komponente eines Herzschlags zur Durchführung der
Analyse des Herzens zunutze macht, wird in US-Patent Nr. 5,419,337
beschrieben und eine Elektrodenverkabelung wird in der schwebenden
US-Anmeldung Serien-Nr. 08/553,101, angemeldet am 3. November 1995,
beschrieben.
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Es
wurde erfahrungsgemäß festgestellt, dass
das EKG mit zwölf
Ableitungen beim Nachweis eines akuten Myokardinfarkts (MI), wie
in „Initial
Diagnosis of Myocardial Infarction: Body Surface Mapping" von S. Hameed, R
Patterson, J. Allen, S. McMechan, G. McKenzie, J. Anderson, und
J. Adgey vom Regional Medical Cardiology Centre, Royal Victoria
Hospital, Belfast, Nordirland, beschrieben, nur zu ca. 50% empfindlich
ist. Die Autoren untersuchten ein Körperoberflächen-Mapping-System (BSM-System),
das eine Verkabelung mit 64 Ableitungen inkorporiert, die auf den
anterioren Thorax bei Patienten mit Verdacht auf MI aufgebracht
wurde. An jedem der 64 Punkte wurden die QRS- und ST-T-Integrale
gemessen. Aus den anschließenden
isointegralen Maps extrahierte Merkmale wurden zum Beschreiben der
Form der erhaltenen Maps verwendet. So wurde folglich gezeigt, wie
durch die Verwendung von BSM eine höhere Empfindlichkeit und Spezifität für die Diskriminierung
von MI- und Nicht-MI-Patienten mit Schmerzen im Thoraxbereich erreicht
werden konnte, verglichen mit der, die unter Verwendung des Standard-EKGs
mit 12 Ableitungen erreichbar war.
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In
der Vergangenheit wurden von Kardiologen viele Verfahren in dem
Versuch verwendet, die Richtung und Signifikanz der Aktivierung
des Herzens zu identifizieren. Von besonderem Interesse sind hier
die räumliche
vektorkardiographische Schleife (VKG-Schleife), „Heart", Frank H. Netter MD, The Ciba Collection
of Medical Illustrations, 1991, S. 52. In seiner Standardform verwendete
dieses Verfahren sechs Elektroden, die auf den Körper aufgebracht wurden, um
auf diese Weise drei orthogonale bipolare Ableitungen zu messen.
Die anhand dieses Verfahrens dargestellten VKG-Schleifen wurden
als drei orthogonale Ebenen, nämlich
als Frontal-, Horizontal- und
Sagittalebene angesehen. Das Verfahren versuchte zu zeigen, wie
das Herz als ein einzelner bipolarer Vektor oder ein Dipol aktivierte. Der
vorstehende Verweis berücksichtigt
auch das gut aufgenommene Konzept eines mittleren kardialen Vektors
oder einer Achse. Dies wird zur Bereitstellung eines wahrgenommenen
Eindruckes von dem, was das Herz bei einem gegebenen Zeitpunkt elektrisch
tut, verwendet. Der mittlere Herzvektor würde in die Richtung weisen,
in der der größte Teil
des Herzens aktiviert. Der Vektor versucht auch, die Größenordnung
als ein Hinweis darauf, wie viel des Myokards in der Richtung aktiviert,
in welcher der Vektor weist, darzustellen. Die vorstehende Bezugnahme zeigt
wie ähnlich
das VKG und die mittleren Herzvektoren für einen normalen gesunden Menschen
sind.
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Kliniker,
die versuchen, bei einem Patienten mit Schmerzen im Thoraxbereich
unter Verwendung des EKGs mit zwölf
Ableitungen oder des VKGs eine Diagnose zu stellen, haben festgestellt,
dass sie in vielen Fällen
nicht sehr hilfreich ist. Es wird angenommen, das dies hauptsächlich auf
diese Vorrichtungen zurückzuführen ist,
die keine Elektroden auf den Körperoberflächen über dem
Bereich des Myokards aufweisen, das abberant beeinflusst wird. Wenn
das Herz aktiviert, liegen viele Gewebe vor, die elektrische Signale
in vielen Richtungen, an vielen Zeitpunkten während des gesamten Herzzyklus
generieren. Das Herz ist auch ein hohles dreidimensionales Organ,
das primär
in zwei Hauptkammern unterteilt wird. Die Verwendung derartiger
einzelner Dipolverfahren könnte
deshalb wichtige elektrophysiologische Informationen in Bezug auf
die Herkunft normaler und/oder abnormer Aktivierungen aus verschiedenen
Regionen des Herzens verdecken. Es sind diese Komplexitäten, die
bedeuten, dass der wahre mittlere Herzvektor nicht unter Verwendung von
entweder des VKGs oder derzeit erhältlichen EKG-Apparaten berechnet
werden kann. Unter Verwendung der augenblicklichen Verfahren ist
es möglich,
dass eine Aberration des posterioren Myokards in der gleichen Richtung
und Größenordnung
wie eine Aberration des anterioren Myokards auftritt. Zur Zeit besteht
das einzige Verfahren zum Trennen der beiden Regionen in der invasiven
Exploration des Herzens von innerhalb der Thoraxhöhle (epikardiales Mapping)
oder von innerhalb der Herzkammern selbst (endokardiales Mapping).
Das BSM begegnet den Limitationen dieser Systeme durch Verwendung einer
Proliferation von Elektroden über
den gesamten Thorax. Wie jedoch vorstehend erwähnt wurde, erhöht das BSM-Verfahren
die Komplexität
des Problems bis zu dem Punkt, an dem die Verwendung des Verfahrens
eine Zeitdauer erforderlich macht, die in akuten Situationen nicht
praktisch ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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sEs
ist deshalb eine erfindungsgemäße Aufgabe,
ein Mittel bereitzustellen, mit dem die Aktivierung von verschiedenen
Regionen des Herzens nicht invasiv von der Körperoberfläche, zum Beispiel unter Verwendung
des Körperoberflächen-Mapping- Apparates, der in
der britischen Patentschrift Nr. GB 2 264 176 (US Nr. 5 419 337)
offenbart wurde, nachgewiesen werden und das als solches elektrophysiologische
Indikationen von aberranter kardialer Aktivierung bereitstellen
kann.
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Es
ist weiter eine erfindungsgemäße Aufgabe,
ein Mittel zum Nachweis abnormer Änderungen der elektrophysiologischen
Aktivierung des Herzens auf eine Weise dergestalt bereitzustellen,
um zu erlauben, dass diese Aktivität zur Diagnose der Erkrankung
des Myokards eines Menschen verwendet wird und dadurch zu ermöglichen,
dass seine Erkrankung und die sich anschließende Behandlung gemanagt werden
können.
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Es
ist auch eine erfindungsgemäße Aufgabe, dass
ermöglicht
wird, diese Aktivierung in einer Form darzustellen, die entweder
grafisch zur Interpretation angesehen oder unter Verwendung mathematischer Algorithmen
analysiert werden kann.
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Die
Europäische
Patentbeschreibung Nr. EP-A-0 512 719 offenbart ein System, das
einen Monitor (16) zur Verwendung bei der Durchführung einer Elektrokardiographie-Analyse
(EKG-Analyse) mit 12 Ableitungen und Körperoberflächen-Mapping-Analysen (BSM-Analysen)
an einem Patienten mit einem einzelnen 10-Elektroden-Kabelsatz (14)
einschließt. Der
Monitor empfängt
Daten von neun Ableitungen vom Elektrodenkabelsatz und verarbeitet
diese initial zur Vereinfachung der weiteren Analyse vor.
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Gemäß eines
erfindungsgemäßen Aspekts ist
ein Verfahren wie nach Anspruch 1 spezifiziert offenbart.
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Die
Erfindung wird ausführlicher
anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
davon verstanden, die lediglich anhand des Beispiels und unter Bezugnahme
auf die beiliegende Zeichnung gegeben wird, worin:
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1 eine
auf eine Kontur des menschlichen Torsos überlagerte isopotenzielle Map
veranschaulicht;
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2 (oben)
zugeordnete freie resultierende Vektorkomponenten, die aus dem WCT
stammen, veranschaulicht;
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2 (unten)
eine Vektorkurve der Vektorkomponenten summiert als einen resultierenden Raumvektor
darstellt;
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3 eine
Anzeige ist, die resultierende Raumvektoren für eine normale gesunde Kontrollperson
zeigt, darstellt;
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4 (oben)
die aus dem WCT stammenden zugeordneten freien resultierenden Vektorkomponenten
veranschaulicht.
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4 (unten)
eine Vektor-Kurve der Vektorkomponenten summiert als einen resultierenden
Amplitudenvektor darstellt;
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5 eine
Umrisszeichnung resultierender Raumvektoren für die beiden Isointegralen
QRS und STT und einen resultierenden Raumvektor für das ST60-Isopotenzial
(lediglich als Beispiel) darstellt;
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6 tatsächlich resultierende
Raumvektoren für
einen an LBBB leidenden Patienten zeigt;
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7 tatsächlich resultierende
Raumvektoren für
einen Patienten zeigt, der an einem akuten MI kompliziert durch
LBBB leidet.
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Es
ist erfindungsgemäß eine Vielzahl
freier Vektorkomponenten vorgesehen, auf die als auf einen Punkt
verwiesen wird, der im elektrischen Zentrum des Herzens lokalisiert
ist (2). Dieses elektrische Zentrum ist als das Wilson
Central Terminal (WCT) gut dokumentiert. Diese Vektorkomponenten werden
in Paaren gebildet, von denen jedem eine individuelle Größe und Richtung
unter Bezugnahme auf die WCT-Herkunft gegeben wird und jedem vollkommene
Freiheit gegeben wird, einen dreidimensionalen Raum zu explorieren.
Die Größe und Richtung
werden gemäß prädefinierten
unipolaren Messungen, die von einer Vielzahl von Stellen auf der Körperoberfläche erhalten
werden, zugeteilt. Die Körperoberfläche wird
als eine den menschlichen Thorax einschließende dreidimensionale Oberfläche angesehen.
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Als
ein Beispiel zeigt 2 zugeordnete resultierende
isointegrale QRS-Vektoren. Die „+"- und „–"-Zeichen kennzeichnen in diesem Fall
die Stelle der maximalen „+"- und der minimalen „–"-Werte, die über die
gesamte Körperoberfläche hinweg
gemessen wurden, die unter Verwendung eines Körperoberflächen-Mapping-Apparates (wie
zum Beispiel dem, auf den vorstehend verwiesen wird), der Informationen
von insgesamt 80 Elektroden gleichzeitig registrierte, gemappt wurden.
In dieser Figur werden die Vektoren als Pfeile gezeigt, es könnte jedoch
jedwedes Symbol, das die Größenordnung
und die Richtung kennzeichnet, für
diesen Zweck verwendet werden, ohne aus dem erfindungsgemäßen Umfang zu
kommen. Man sollte darauf achten, wie jeder individuelle Komponentenvektor
eine Winkelrichtung und eine Größe hinsichtlich
seines integralen Wertes bei der gegebenen Lokalisierung auf der
Körperoberfläche besitzt.
Außer
den zugeordneten resultierenden QRS-Vektoren zeigt die Kurve im
unteren Teil von 2 den Unterschied dieser beiden
Vektoren, wobei der resultierende Raumvektor (oder die räumliche
Herzachse) „Rs" berechnet wird,
der im Hintergrund der Erfindung vorstehend beschrieben wurde. Die
Figur zeigt lediglich einen der drei möglichen Ansichten, nämlich die
Horizontalebene. 3 zeigt, wie diese Berechnung
für das
QRS-Intervall (vom Einsetzen des QRS bis zum J-Punkt), das STT-Intervall
(vom J-Punkt bis zum Ende der T-Welle) und den ST60-Zeitpunkt (sofortige
Messung in 60 Millisekunden nach Erreichen des ST-Segments vom J-Punkt) bei
einer gesunden Kontrollperson durchgeführt wird. Der räumliche
Herzvektor wurde erfindungsgemäß unter
Verwendung 80 unipolarer Elektroden in einem dreidimensionalen Raum
korrekt lokalisiert. Die zuvor beschriebenen bipolaren Systeme können diese Präzision nicht
erreichen, da sie sich auf die orthogonale Redundanz verlassen,
wobei sei eine einzelne Herzaktivierung des Dipoltyps voraussetzen.
Es wird erfindungsgemäß auch die
Berechnung des resultierenden Amplitudenvektors ermöglicht. 4 zeigt die
Konstruktion dieses Vektors für
das gleiche Beispiel. Hier ist das Paar der freien resultierenden
Komponentenvektoren in der Vektorkurve zur Identifikation der vom
Herzen generierten Gesamtamplitudenasymmetrie summiert. Man sollte
darauf achten, dass jedwede Periode oder jedweder Punkt, der von
jedem Zeitpunkt erhoben wurde, eingesetzt werden könnte, ohne
aus dem erfindungsgemäßen Umfang zu
kommen.
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Es
kann nun erkannt werden, dass die beiden resultierenden Raumvektoren
und die resultierenden Amplitudenvektoren Informationen verwenden,
die aus den freien resultierenden Komponentenvektoren auf elektrisch
gegenüberliegenden
Seiten des WCT erhalten werden.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung
beinhaltet die Untersuchung der Richtung und Amplitude der resultierenden
Komponentenvektoren und von ihnen angestellte Vektormessungen. 5 zeigt
zwei Vektoren, nämlich
das QRS-Isointegral und das STT-Isointegral für eine normale gesunde Person.
Es ist darauf zu achten, dass diese resultierenden Vektoren gegenüberliegende
Regionen des Thorax überspannen
und dadurch nicht individuell frei zu sein brauchen. Wenn man nun
gegebenenfalls einen ischämischen
Verletzungsstrom in das elektrische Feld des Herzens (schattierte
Region innerhalb der freien Wand des Linksventrikels) einführt, würde man
erwarten, dass der STT-Vektor die Amplitude und/oder die Richtung ändert. Aus
dem folgenden Beispiel ist ersichtlich, wie unter Verwendung des
WCT als eine Referenz für
unipolare resultierende Komponentenvektoren und das Zulassen, dass
die genannten Vektoren eine individuelle Winkelfreiheit in einem
dreidimensionalen Raum haben, aufgrund von (zum Beispiel) einer
ischämischen
Verletzung Änderungen aufdecken
können.
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Nun
soll die Diagnose eines akuten MI, der durch LBBB (eine Herausforderung
an alle elektrokardiographischen Diagnostiksysteme) kompliziert ist,
betrachtet werden. Die drei resultierenden Kurven von 6 zeigen,
was als komplette resultierende Herzumkehr bezeichnet wird. Die
Kurven auf der rechten Seite der Figur zeigen die resultierenden Vektoren,
die den maximalen und minimalen Werten über die Körperoberfläche für jede der drei Messungen QRS,
STT und ST60 zugeordnet wurden. Die Kurven auf der linken Seite
zeigen die berechneten resultierenden Raumvektoren für jede entsprechende
Messung. Die zugeordneten Komponentenvektoren erfahren eine komplette
Polaritätsumkehr
von den QRS- zu sowohl den STT- als auch ST60-Kurven. Der berechnete
resultierende Raumvektor zeigt auch eine komplette STT- und ST60-Umkehr
vom in QRS gezeigten Vektor. Dieser Effekt kann in Bezug auf die
Zellaktivierung erklärt
werden. Kurz zusammengefasst hat die Anwesenheit eines LBBB die ventrikuläre Depolarisation
verlangsamt und hat dazu geführt,
dass eine Repolarisation in der entgegengesetzten Richtung auftritt,
als sie in einem normalen gesunden Herzen auftreten würde.
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7 zeigt
nun die gleichen Kurven für
einen Patienten, der an einem durch LBBB komplizierten akuten MI
leidet. Hier enthalten die zugeordneten Vektoren jedoch eine distinkte
Winkelverschiebung, die aufgrund des Verletzungsstroms, der auch
im elektrischen Feld des Herzens vorhanden ist, dargestellt wird.
Diese Verschiebung wird auch korrekt berechnet und in den entsprechenden
resultierenden Raumvektoren dargestellt. Der Verletzungsstrom wurde
identifiziert und kennzeichnet deshalb einen akuten MI.
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Es
ist nun möglich,
diese Richtungen, Winkelverschiebungen und Amplitudenänderungen
genau zu messen, um den Zustand von Patienten mit bekannten Erkrankungen
zusätzlich
zum Nachweis, Vergleich und zur Diagnose vieler verschiedener Erkrankungen
von vorgestellten Patienten zu kennzeichnen. Sobald sie erhalten
sind, können
die Informationen entweder grafisch dargestellt (so wie dies hier
getan wird) oder als Input für
einen diskriminatorischen Algorithmus unter Verwendung von Computer-Programmierungsverfahren
verwendet werden, die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind. Dies hilft
dem Operator bei der Ermittlung der Behandlung und/oder Medikation
für diesen
Patienten.
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Die
Erfindung ist auch zur Identifikation von Verletzungsströmen innerhalb
der kardialen Aktivität von
Herzen verwendet worden, die nicht an kardialen Anhythmien leiden.
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Der
vorstehend für
das diagnostische Verfahren beschriebene verwendete Apparat kann
auf dem basieren, der in der Britischen Patentschrift Nr. GB 2 264176
(US Nr. 5 419 337) offenbart wird. Ein derartiger Apparat umfasst
eine Vielzahl von Elektroden, die bei Verwendung an räumlich getrennten Stellen
auf einem menschlichen Torso aufgebracht werden, wobei jede Elektrode
zum Nachweis der mit einem Herzschlag einhergehenden elektrischen
Aktivität
fähig ist
und ein entsprechendes Signal produziert. Der Apparat wird weiter
zum Durchführen
der vorliegenden Erfindung, zur Verarbeitung der Signale von den
Elektroden zur Berechnung und Darstellung (grafisch oder anderweitig)
für den
Anwender der gewünschten
QRS-, ST-T- und ST60-Map-Vektoren und verwandten Herzvektoren programmiert.
Als Alternative können
die berechneten Werte der QRS-, ST-T und ST60-Map-Vektoren, wie
vorstehend angegeben, als der Input für einen diskiminatorischen
Algorithmus verwendet werden. Nähere
Einzelheiten über
solche Apparate, abgesehen vom Programmieren, das sehr wohl in den
Fähigkeiten
des Durchschnittsfachmanns liegt, können aus der zuvor erwähnten Britischen
Patentschrift Nr. GB 2 264176 (US Nr. 5 419 337) erhalten werden.