WO1998049932A1 - Diagnosis based on phasic sinus arrhythmia - Google Patents

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WO1998049932A1
WO1998049932A1 PCT/DE1998/001194 DE9801194W WO9849932A1 WO 1998049932 A1 WO1998049932 A1 WO 1998049932A1 DE 9801194 W DE9801194 W DE 9801194W WO 9849932 A1 WO9849932 A1 WO 9849932A1
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Friedhelm R. Drepper
Michael Schiek
Hans-Henning Abel
Katrin Suder
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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Abstract

Disclosed is a device comprising a pacemaker for setting the inhale-to-exhale-ratio, a sensor enabling the rate of heart beat to be measured, a storage unit for storing master data, and a assessement unit for providing a value derived from both the measured rate of heart beat and the stored master data. Said device is used for arriving at a diagnosis based on values such as the rate of heart beat, which is a function of the breathing rate.

Description

B e s c h r e i b u n g Description
Diagnose mittels Respiratorischer Sinus-ArrhythmieDiagnosis using respiratory sinus arrhythmia
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Taktgeber zur Vorgabe eines Atmungsrhytmusses sowie mit einem Detektor zur Messung der Herzgeschwindigkeit.The invention relates to a device with a clock generator for specifying a breathing rhythm and with a detector for measuring the heart rate.
Gemäß der Druckschrift „Hirsch J.A, and B. Bishop. Respiratory sinus arrhythmia in humans : how breathing pattern modulates heart rate, Am. J. Physiol. 241: H620-H629, 1981" wurde mittels der vorgenannten Vorrichtung festgestellt, daß die Schwankungen der Herzfrequenz im Frequenzbereich der Atmung in der Regel die gleiche Frequenz aufweisen wie die Atmung. Die Amplitude dieser sogenannten Respiratorischen Sinus- Arrhythmie (RSA) nimmt generell mit physischem und psychischem Stress sowie mit dem Alter des Menschen ab. Gemäß der Druckschrift „Angelone A., and N.A. Coulter. Respiratory sinus arrhythmia: a frequency dependent phenomenon. J. Appl . Physiol. 19: 479-482, 1964" nimmt die Amplitude der RSA ferner bei Verlangsamung des At- mungsrhythmusses zu. Gemäß der Druckschrift "Schiek M., F.R. Drepper, R. Engbert, H.-H. Abel, and K. Suder, Cardiorespiratory Synchronization, in: K. Kantz,According to the publication “Hirsch J.A, and B. Bishop. Respiratory sinus arrhythmia in humans: how breathing pattern modulates heart rate, Am. J. Physiol. 241: H620-H629, 1981 "using the aforementioned device, it was found that the fluctuations in the heart rate in the frequency range of breathing generally have the same frequency as breathing. The amplitude of this so-called respiratory sinus arrhythmia (RSA) generally decreases with physical and psychological stress as well as with age. According to the publication "Angelone A., and NA Coulter. Respiratory sinus arrhythmia: a frequency dependent phenomenon. J. Appl. Physiol. 19: 479-482, 1964" the amplitude of the RSA also increases if the breathing rhythm slows down. According to the publication "Schiek M., F.R. Drepper, R. Engbert, H.-H. Abel, and K. Suder, Cardiorespiratory Synchronization, in: K. Kantz,
Kurths, and G. Mayer-Kress (eds.) Nonlinear Analysis of Physiological Data, Springer, Berlin, 1997" wurde ebenfalls festgestellt, daß die Amplitude der RSA starken Schwankungen unterliegt. Selbst bei Taktatmung im ausgeruhten, streßfreien Zustand treten starke Schwankungen der Amplitude auf. Da der vom Atemrhythmus abhängige Herzschlag mit dem physischen und / oder psychischen Zustand eines Menschen korreliert, könnte die Herzschlaggeschwindigkeit für Diagnosezwecke eingesetzt werden. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, bei der eine Diagnose, basierend auf der von der Atmung abhängigen Herzgeschwindigkeit, erstellt werden kann .Kurths, and G. Mayer-Kress (eds.) Nonlinear Analysis of Physiological Data, Springer, Berlin, 1997 "also found that the amplitude of the RSA is subject to strong fluctuations. Even when breathing in a relaxed, stress-free state, there are strong fluctuations in the amplitude on. Since the heartbeat dependent on the breathing rhythm correlates with the physical and / or psychological state of a person, the heartbeat rate could be used for diagnostic purposes. The object of the invention is to provide a device in which a diagnosis can be made based on the heart rate dependent on the respiration.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma- len des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprüchen.The object is achieved by a device with the features of the main claim. Advantageous embodiments result from the related claims.
Anspruchsgemäß weist die Vorrichtung einen Taktgeber zur Vorgabe einer Atemfrequenz auf. Ein Taktgeber im Sinne des Anspruchs liegt insbesondere dann vor, wenn dieser dem Probanden einen gleichmäßigen Takt zu vermitteln vermag, so daß das vorgegebene Atmungsprofil, also das Verhältnis von Einatmungszeit zu Ausatmungszeit der Spontanatmung entspricht. Das Verhältnis von Einatmungszeit zu Ausatmungszeit beträgt bei der Spon- tanatmung regelmäßig 2:3 bis 3:4.According to the claim, the device has a clock for setting a respiratory rate. A clock generator in the sense of the claim is present, in particular, if it is able to convey a uniform rhythm to the subject, so that the predetermined breathing profile, that is to say the ratio of inhalation time to exhalation time, corresponds to spontaneous breathing. The ratio of inhalation time to exhalation time for spontaneous breathing is regularly 2: 3 to 3: 4.
Insbesondere ist ein optischer Taktgeber zur Erzeugung einer phasentreuen periodischen Atmung geeignet.In particular, an optical clock is suitable for generating phase-correct periodic breathing.
Besonders zuverlässige Ergebnisse lassen sich erfahrungsgemäß erzielen, wenn die frei vorgebbaren Zeit- punkte des Wechsels zwischen Einatmung und Ausatmung vom Probanden erkennbar und vorhersagbar sind. Die Erkennbarkeit und Vorhersagbarkeit wird durch einen optischen Taktgeber gewährleistet, der den Takt mittels einer wachsenden und anschließend schrumpfenden optischen Anzeige vermittelt. Beispielsweise handelt es sich dabei um eine wachsende und anschließend schrumpfende Fläche oder Linie, die auf einem Monitor oder Leuchtdi- odenfeld zu sehen ist. Das Wachsen der Fläche oder Linie signalisiert dann beispielsweise die Einatmung. Mit schrumpfender Fläche oder Linie soll ausgeatmet werden. Bei einem derartigen optischen Taktgeber kann der je- weilige Umkehrpunkt zuverlässig vom Probanden erkannt und vorhergesagt werden.Experience has shown that particularly reliable results can be achieved if the test subjects can freely identify and predict the times of the change between inhalation and exhalation. Recognizability and predictability is ensured by an optical clock generator, which conveys the clock by means of a growing and then shrinking optical display. For example, it is a growing and then shrinking surface or line that is displayed on a monitor or LED odenfeld can be seen. The growth of the surface or line then signals inhalation, for example. Exhale with a shrinking surface or line. With such an optical clock, the respective reversal point can be reliably recognized and predicted by the test subject.
Ferner weist die anspruchsgemäße Vorrichtung einen Detektor zur Messung der Herzgeschwindigkeit wie z. B. ein EKG-Meßgerät auf. Als ausreichend hat sich jedes Meßgerät herausgestellt, mit dem der Puls eines Menschen und damit die Herzschlaggeschwindigkeit ermittelt werden kann.Furthermore, the device according to the claims has a detector for measuring the heart rate such as e.g. B. an EKG measuring device. Every measuring device with which the pulse of a person and thus the heartbeat rate can be determined has proven to be sufficient.
Die Zuverlässigkeit einer Diagnose mittels der anspruchsgemäßen Vorrichtung wächst mit der Genauigkeit, mit der die Herzschlaglänge ermittelt wird. Eine Herzschlaglänge kann z. B. durch Bestimmung der Zeit zwischen benachbarten Maxima der R-Peaks innerhalb des in Fachkreisen bekannten QRS-Komplexes ermittelt werden. Die Herzschlaglänge sollte mit einer Genauigkeit von wenigstens ±5o, vorzugsweise mit einer Genauigkeit von U» bestimmt werden. Entsprechend ist das Meßgerät auszuwählen .The reliability of a diagnosis using the device according to the claims increases with the accuracy with which the heartbeat length is determined. A heartbeat length can e.g. B. can be determined by determining the time between adjacent maxima of the R peaks within the QRS complex known in specialist circles. The heartbeat length should be determined with an accuracy of at least ± 5o, preferably with an accuracy of U ». The measuring device must be selected accordingly.
Ferner umfaßt die anspruchsgemäße Vorrichtung einen Speicher, in dem Referenzdaten gespeichert sind. Refe- renzdaten im Sinne der Erfindung sind vor Fertigstellung der Vorrichtung ermittelte Daten von Herzschlaggeschwindigkeiten oder Herzschlagmustern in Abhängigkeit von der Atmungsgeschwindigkeit bzw. daraus abgeleitete Daten. Insbesondere handelt es sich bei den abgespei- cherten Referenzdaten um Herzschlaggeschwindigkeitsdaten, die vor der Abspeicherung in der nachfolgend geschilderten Weise in Polarkoordinaten transformiert und bei denen lediglich die Winkel der so ermittelten Po- larkoordinaten als Referenzdaten abgespeichert worden sind.Furthermore, the device according to the claims comprises a memory in which reference data are stored. For the purposes of the invention, reference data are data of heartbeat speeds or heartbeat patterns as a function of the respiratory rate or data derived therefrom before the device is completed. In particular, the stored reference data are heart rate data which, before being stored, transforms into polar coordinates in the manner described below and in which only the angles of the positions thus determined are bar coordinates have been stored as reference data.
Es hat sich nämlich herausgestellt, daß bei einer gleichmäßigen Atmung, dessen Profil der Spontanatmung angeglichen ist, die Herzgeschwindigkeit einem Schema folgt. Die Frequenz der Taktatmung sollte dabei etwas unterhalb der der Spontanatmung liegen, da mit einer Frequenz unterhalb der Spontanatemfrequenz die Amplitude der respiratorischen Sinus-Arrhythmie vergleichs- weise groß ist. Es werden dann genauere Ergebnisse erzielt .It has been found that in the case of uniform breathing, the profile of which is adapted to spontaneous breathing, the heart rate follows a pattern. The frequency of rhythmic breathing should be slightly below that of spontaneous breathing, since with a frequency below the spontaneous breathing frequency the amplitude of the respiratory sinus arrhythmia is comparatively large. More precise results are then achieved.
Werden die gemessenen Daten in Polarkoordinaten transformiert und lediglich die Koordinatenwinkel in Betracht gezogen, so läßt sich diese schematische Abhän- gigkeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Winkeln des Polarkoordinatensystems visualisiert darstellen. Beim gesunden Probanden im streßfreien Zustand ergeben sich typische Muster. Eine Abweichung vom typischen Muster vermag physische oder psychische Veränderungen anzuzei- gen. Rückschlüsse auf das Vorliegen krankhafter Zustände sind folglich möglich.If the measured data is transformed into polar coordinates and only the coordinate angles are taken into account, this schematic dependency between two successive angles of the polar coordinate system can be visualized. Typical patterns result in healthy subjects in a stress-free state. A deviation from the typical pattern can indicate physical or psychological changes. Conclusions about the existence of pathological conditions are therefore possible.
Das anspruchsgemäße Auswertemittel vergleicht die gemessenen Daten mit den gespeicherten Referenzdaten und liefert Abweichungen zwischen ermittelten Daten und Re- ferenzdaten. Die Abweichungen zeigen an, daß eine Änderung von dem Zustand aufgetreten ist, der den Referenzdaten zugrunde gelegen hat.The sophisticated evaluation means compares the measured data with the stored reference data and provides deviations between the determined data and reference data. The deviations indicate that a change has occurred from the state on which the reference data was based.
Ein PC mit einer Analog-Digitalwandler-Schnittstelle zur Aufzeichnung der EKG-, Atemfluß- und Taktgebersi- gnale sowie mit Software zur Signalanalyse und -Visualisierung wird z. B. als Auswertemittel eingesetzt. Um die gewünschte Meßgenauigkeit zu erzielen, sollte die Analog-Digitalwandler-Schnittstelle so ausgelegt sein, daß die Analog-Digitalumwandlung mit mindestens 200 Hz, vorzugsweise mit 1000 Hz erfolgen kann.A PC with an analog-digital converter interface for recording the ECG, respiratory flow and clock signals as well as with software for signal analysis and visualization is e.g. B. used as an evaluation means. In order to achieve the desired measuring accuracy, the analog-digital converter interface should be designed that the analog-digital conversion can be carried out with at least 200 Hz, preferably with 1000 Hz.
Die Referenzdaten können Mittelwerte aus den Ergebnissen vieler Probanden und somit „normale" Werte darstel- len. Als Referenzdaten können alternativ die Werte eines einzigen Probanden herangezogen werden. Dieser Proband, mittels dem die Referenzdaten ermittelt worden sind, ist dann zweckmäßig mit dem aktuell diagnostizierten Probanden identisch. Im ersten Fall kann eine Aussage über Abweichungen von „normalen" Werten getroffen werden. Im letztgenannten Fall sind insbesondere relative Aussagen, also Aussagen über sich verändernde psychische oder physische Zustände eines Probanden möglich. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die anspruchsgemäße Vorrichtung ein konventionelles Atemflußoder eine Atemvolumen-Meßgerät auf. Die Messung der Atmung dient der online-Überwachung, ob geeignet geatmet wird oder der offline-Überprüfung, ob geeignet geatmet worden ist.The reference data can represent mean values from the results of many test subjects and thus "normal" values. Alternatively, the values of a single test subject can be used as reference data. This test subject, by means of which the reference data was determined, is then expedient with the currently diagnosed test subject In the first case, a statement can be made about deviations from "normal" values. In the latter case, relative statements, in particular statements about changing psychological or physical conditions of a test person, are possible. In an advantageous embodiment, the device according to the invention comprises a conventional respiratory flow or a tidal volume measuring device. The measurement of breathing is used for online monitoring whether breathing is suitable or for offline checking whether breathing is suitable.
Insbesondere bei einer online-Messung und Auswertung sollte das Meßgerät den Atemfluß oder das Atemvolumen optisch anzeigen, da eine akkustische Anzeige den Probanden dann in einen unerwünschten Streßzustand verset- zen kann. Die optische Anzeige ermöglicht es, daß allein die Person, die die Untersuchung durchführt, registriert, wann die vorgegebene Atemfrequenz eingehalten wird und welche Meßdaten folglich relevant sind.In particular in the case of online measurement and evaluation, the measuring device should visually indicate the respiratory flow or the respiratory volume, since an acoustic display can then put the test subject into an undesirable stress state. The optical display makes it possible for the person who is carrying out the examination to register when the specified respiratory rate is being observed and which measurement data are consequently relevant.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Er- findung weist die anspruchsgemäße Vorrichtung einen Hochpaßfilter auf, der die relativ kurzfristigen Schwankungen der Herzschlaglängen im Frequenzbereich der Atmung von längerfristigen Schwankungen bzw. Trends trennt.In a further advantageous embodiment of the invention, the device according to the invention has a high-pass filter which detects the relatively short-term fluctuations in the heartbeat lengths in the frequency range separates breathing from long-term fluctuations or trends.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Hochpaßfilters ergibt sich, wenn von den gemessenen Herzschlaglängen ein zentrierter gleitender Mittelwert abgezogen wird, der mit einer Gewichtsfunktion gebildet wird, deren Argument Herzschlaglängen enthält. Die Gaußverteilung mit den jeweiligen (nichtäquidistanten) Zeitdifferenzen zum Zentrum des Mittelwerts als Argument stellt einen mög- liehen Funktionstyp der Gewichtsfunktion dar. Die Halbwertsbreite der Gewichtsfunktion sollte der Atemzuglänge entsprechen. Bei der Hochpaßfilterung wird als Grenzfrequenz also insbesondere die Atemfrequenz gewählt . Der Lehre der Erfindung ist die Erkenntnis vorausgegangen, daß bei Taktatmung, d. h. bei Atmung gemäß eines vorgegeben Rhythmusses, die Variation der Herzschlaglängen durch ein relativ einfaches Bewegungsgesetz beschreibbar ist. Die Regelhaftigkeit bezieht sich hierbei auf das Verhältnis aufeinanderfolgenderA preferred embodiment of the high-pass filter results if a centered moving average value is subtracted from the measured heartbeat lengths, which is formed with a weight function whose argument contains heartbeat lengths. The Gaussian distribution with the respective (non-equidistant) time differences to the center of the mean as an argument represents a possible function type of the weight function. The half-value width of the weight function should correspond to the breath length. In the case of high-pass filtering, the respiratory rate in particular is selected as the cutoff frequency. The teaching of the invention has been preceded by the knowledge that with tactical breathing, i.e. H. when breathing according to a predetermined rhythm, the variation of the heartbeat lengths can be described by a relatively simple law of motion. The regularity refers to the relationship of successive ones
Herzschlaglängen. Diese Regelhaftigkeit kann durch ein Bewegungsgesetz aufeinanderfolgender Winkel, d. h. durch eine sogenannte Kreisabbildung dargestellt werden. Bei langsamer Taktatmung läßt sich (für kardio- pulmonar gesunde Probanden im ausgeruhten Zustand) das Bewegungsgesetz mit hoher Signifikanz als eine Kurve darstellen. Im Gegensatz etwa zur künstlichen Beatmung unter Narkose konnte bei der Taktatmung im Wachen kein prinzipieller Unterschied in der Funktion der Kontroll- mechanismen gegenüber der Spontanatmung festgestellt werden. Die vom Probanden und seinem Zustand abhängige Gestalt der Kurve verläuft in typischer Weise. Sowohl die Gestalt dieser Kurve als auch die Abweichungen von der Kurve sind von Interesse u. a. für die Kardiologie, die Anästhesiologie, die Sportmedizin, die Neurologie und die Psychologie.Heartbeat lengths. This regularity can be represented by a law of motion of successive angles, ie by a so-called circular image. With slow cycle breathing (for cardio-pulmonary healthy subjects in a rested state) the motion law can be represented as a curve with high significance. In contrast to, for example, artificial ventilation under anesthesia, there was no fundamental difference in the function of the control mechanisms compared to spontaneous breathing during tactical breathing during waking. The shape of the curve, which is dependent on the subject and his condition, is typical. Both the shape of this curve and the deviations from of the curve are of interest, inter alia, for cardiology, anesthesiology, sports medicine, neurology and psychology.
Die Zweckmäßigkeit der Vorrichtungen ergeben sich aus der Tatsache, daß bei Taktatmung der starken Unregelmäßigkeit der Amplitudenschwankungen eine unerwartete Regelhaftigkeit der Form der Herzschlaglängenschwankungen gegenübersteht.The expediency of the devices results from the fact that, in the case of clock breathing, the strong irregularity of the amplitude fluctuations is countered by an unexpected regularity in the form of the heartbeat length fluctuations.
Es zeigen: Figur 1: QRS-KomplexFIG. 1: QRS complex
Figur 2: Herzschlaglängen als Funktion der Zeit,Figure 2: Heartbeat lengths as a function of time,
Figur 3: Auftragung der Herzschlaglängen zum Zeitpunkt „n+1" gegen solche zum Zeitpunkt „n",FIG. 3: plot of the heartbeat lengths at time “n + 1” against those at time “n”,
Figur : zweidimensionale Einbettung der der Figur 3 entnommenen Winkel Φ.Figure: Two-dimensional embedding of the angle Φ taken from FIG. 3.
Die Signalanalyse wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert:The signal analysis is explained in more detail using the following exemplary embodiment:
Figur 1 zeigt das Elektrokardiogramm eines Probanden. Aufgetragen ist die Spannung U gegen die Zeit t. Wie in der Figur 1 dargestellt, wird ein Elektrokardiogramm durch die mit P, Q, R, S und T bezeichneten Punkte gekennzeichnet. Besonders charakteristisch ist der QRS- Komplex.Figure 1 shows the electrocardiogram of a subject. The voltage U is plotted against the time t. As shown in FIG. 1, an electrocardiogram is identified by the points labeled P, Q, R, S and T. The QRS complex is particularly characteristic.
Es wird mittels einer anspruchsgemäßen Vorrichtung die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden R-Peaks und somit die Herzschlaglängeeines Probanden ermittelt. Eine Hochpaßfilterung mit einer Grenzfrequenz, die der Atemfrequenz entspricht, wird durchgeführt. Es wird hierfür ein zentrierter gleitender Mittelwert abgezogen, der mit einer gaußglockenförmigen Gewichtsfunktion gebildet wird, deren Argument die jeweilige Zeitdifferenz zum Zentrum des Mittelwerts enthält. Die Halbwertsbreite der Gewichtsfunktion ist hierbei gleich der Atemzuglänge, also ungefähr gleich 9 s.The time between two successive R-peaks and thus the heartbeat length of a subject is determined using a device according to the claims. High-pass filtering with a cutoff frequency that corresponds to the respiratory rate is carried out. For this purpose, a centered moving average is subtracted, which is formed with a Gaussian-shaped weight function, the argument of which is the respective time difference from Center of the mean. The half-value width of the weight function is equal to the breath length, ie approximately equal to 9 s.
Der sich hierdurch ergebende Verlauf der Herzschlaglän- gen ist in Figur 2 dargestellt. Die senkrechten, gestrichelten Linien markieren jeweils den Beginn einer Inspiration. Der dargestellte Verlauf ist typisch für eine kardiopulmonar gesunde Versuchsperson, die sich im streßfreien Zustand befindet. Es werden nun die in Figur 2 mit 1 bis 9 durchnumerierten Herzschläge bzw. die zugehörigen Herzschlaglängen beispielhaft herausgegriffen und in eine zweidimensionale Darstellung gemäß Figur 3 überführt.The resultant course of the heartbeat lengths is shown in FIG. 2. The vertical, dashed lines mark the beginning of an inspiration. The course shown is typical for a cardiopulmonary healthy test subject who is in a stress-free state. The heartbeats numbered 1 to 9 in FIG. 2 or the associated heartbeat lengths are now taken out by way of example and converted into a two-dimensional representation according to FIG. 3.
Die Herzschlaglänge des Herzschlages 1 wird gegen die Herzschlaglänge des Herzschlages 0 in der aus Figur 3 ersichtlichen Weise aufgetragen. Die Herzschlaglänge des Herzschlages 2 wird gegen die Herzschlaglänge des Herzschlages 1 aufgetragen. Es wird also generell die Herzschlaglänge des Herzschlages n gegen die Herz- schlaglänge des Herzschlages n-1 aufgetragen und folglich eine Einbettung durchgeführt. Typischerweise ergibt sich so eine Ellipse gemäß Figur 3.The heartbeat length of the heartbeat 1 is plotted against the heartbeat length of the heartbeat 0 in the manner shown in FIG. 3. The heartbeat length of the heartbeat 2 is plotted against the heartbeat length of the heartbeat 1. In general, the heartbeat length of the heartbeat n is plotted against the heartbeat length of the heartbeat n-1, and consequently an embedding is carried out. This typically results in an ellipse according to FIG. 3.
Diese in Figur 3 dargestellten, sogenannten „verzögerten" Koordinaten werden anschließend in Polar- koordinaten (Winkel und Radien) transformiert. Als Zentrum C dient dabei die mittlere Herzschlaglänge von ca. 1050 ms. Ausgehend von diesem Zentrum C werden die Winkel Φ zu den Herzschlägen 1 bis 9 ermittelt. Der Figur 3 ist zu entnehmen, wie der Winkel Φ für den Herz- schlag 1 ermittelt wird.These so-called “delayed” coordinates shown in FIG. 3 are then transformed into polar coordinates (angles and radii). The mean heartbeat length of approximately 1050 ms serves as the center C. Starting from this center C, the angles Φ become the heartbeats 1 to 9. Figure 3 shows how the angle Φ for the heartbeat 1 is determined.
Die zeitliche Abfolge der Winkel wird dann in einer Einbettung aufeinanderfolgender Winkel in der aus Figur 4 ersichtlichen Weise dargestellt (Kreisabbildung) . Es ergibt sich so ein typisches Muster des Herzschlages, das dem Profil einer zweistufigen Treppe ähnelt.The time sequence of the angles is then embedded in successive angles in the figure 4 clearly shown (circle illustration). The result is a typical heartbeat pattern that resembles the profile of a two-step staircase.
Im nächsten Schritt wird die in dieser Darstellung sichtbare Regelhaftigkeit der respiratorischen Sinus- Arrhythmie z. B. am Bildschirm eines Personalcomputers anhand eines Diagramms dargestellt.In the next step, the regularity of the respiratory sinus arrhythmia visible in this representation is B. shown on the screen of a personal computer using a diagram.
Die Regelhaftigkeit wird in besonders anschaulicher Weise durch charakteristische Kenngrößen quantifiziert. Eine erste, im folgenden Asymmetrieindex 1 genannte charakteristische Kenngröße wird durch die relative Differenz der Anzahl der Herzschlagintervalle, die größer als der Mittelwert sind, minus der Anzahl kleiner als der Mittelwert gebildet. Eine zweite, im folgenden Asymmetrieindex 2 genannte charakteristische Kenngröße stellt die relative Differenz der Anzahl ansteigender Herzschlagintervalle minus der Anzahl abfallender Intervalle dar. Die erste Anzahl entspricht der Zahl der Punkte im Winkelbereich 0.25 π bis 1.25 π, die zweite dem übrigen Winkelbereich.The regularity is quantified in a particularly descriptive manner by characteristic parameters. A first characteristic parameter, referred to below as asymmetry index 1, is formed by the relative difference in the number of heartbeat intervals that are greater than the mean, minus the number less than the mean. A second characteristic parameter, referred to below as asymmetry index 2, represents the relative difference between the number of increasing heartbeat intervals minus the number of decreasing intervals. The first number corresponds to the number of points in the angular range from 0.25 π to 1.25 π, the second to the remaining angular range.
Eine dritte, im folgenden Klumpungsgrad genannte charakteristische Kenngröße wird quanitifiziert als negativer Logarithmus des Mittelwertes der jeweiligen minimalen Winkeländerung im Winkelbereich 0,75 π bis 1,75 π. Dieser erste Klumpungsgrad ist ein Maß für den Grad der Klumpung oder mit anderen Worten der Clusterung der Winkel im Bereich des Maximums der Herzschlaglängen. Ein zweiter Klumpungsgrad ist ein Maß für den Grad der Klumpung im übrigen Winkelbereich. Dies entspricht der Klumpung im Bereich des Minimums der Herzschlaglängen. Die zugehörigen Klumpungswinkel geben jeweils den Mittelwert des Winkels an, für den jeweils das Minimum der Winlkeländerung angenommen wird. Die Abweichungen von 0.25 π bzw. von 1.25 π geben jeweils an, inwieweit die Klumpung der Winkel mit dem Maximum bzw. mit dem Minimum der Herzschlaglängen zusammenfällt.A third characteristic parameter, referred to below as the degree of clumping, is quantified as a negative logarithm of the mean value of the respective minimum angle change in the angle range 0.75 π to 1.75 π. This first degree of clumping is a measure of the degree of clumping or, in other words, the clustering of the angles in the region of the maximum of the heartbeat lengths. A second degree of clumping is a measure of the degree of clumping in the remaining angular range. This corresponds to the lumping in the area of the minimum heartbeat lengths. The associated clumping angles each indicate the mean value of the angle for which the minimum angle change is assumed. The deviations of 0.25 π and 1.25 π respectively indicate to what extent the clumping of the angles coincides with the maximum or with the minimum of the heartbeat lengths.
Anschließend werden diese Daten mit bereits klassifizierten Kenngrößen aus einer Referenzdatenbank verglichen. Der Vergleich ermöglicht Rückschlüsse auf Abwei- chungen von einem Normalzustand oder aber auf eingetretene Veränderungen.Then this data is compared with already classified parameters from a reference database. The comparison enables conclusions to be drawn about deviations from a normal state or changes that have occurred.
Die genaueren Eigenschaften der betreffenden Geräte und Algorithmen definieren sich aus dem obigen Verwendungszweck . The more precise properties of the relevant devices and algorithms are defined from the intended use above.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1.Vorrichtung mit einem Taktgeber zur Vorgabe einer Einatmungs- und/oder Ausatmungsfrequenz, mit einem Detektor zur Messung der Herzgeschwindigkeit, mit einem Speicher, in dem Referenzdaten gespeichert sind, mit einem Auswertemittel zur Erzeugung eines Wertes, der von der gemessenen Herzgeschwindigkeit sowie von den gespeicherten Referenzdaten abhängt.1.Device with a clock generator for specifying an inhalation and / or exhalation frequency, with a detector for measuring the heart rate, with a memory in which reference data are stored, with an evaluation means for generating a value which is derived from the measured heart rate and from the stored reference data depends.
2.Vorrichtung mit den Merkmalen des vorhergehenden Anspruch mit einem Meßgerät zur Überwachung der Atmung.2.Device with the features of the preceding claim with a measuring device for monitoring breathing.
3.Vorrichtung mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Takt des Taktgebers mittels einer wachsenden und anschließend schrumpfenden optischen Anzeige vermittelt wird.3.Device with the features according to one of the preceding claims, in which the clock of the clock generator is conveyed by means of a growing and then shrinking optical display.
4.Vorrichtung mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Meßgerät zur Überwachung der Atmung ein Atemfluß- oder eine Atemvolumen- Meßgerät vorgesehen ist.4.Device with the features according to one of the preceding claims, in which a respiratory flow or a tidal volume measuring device is provided as a measuring device for monitoring breathing.
5.Vorrichtung mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei eine optische Anzeige vorgesehen ist, die den Atemfluß oder das Atemvolumen optisch anzeigt.5.Device with the features according to one of the preceding claims, in which an optical display is provided which optically displays the respiratory flow or the respiratory volume.
6.Vorrichtung mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Hochpaßfilter vorgesehen ist, der die Schwankungen der Herzschlaglängen im Frequenzbereich der Atmung von längerfristigen Schwankungen oder Trends trennt. 6.Device with the features according to one of the preceding claims, is provided in the high-pass filter, which separates the fluctuations in the heartbeat lengths in the frequency range of breathing from longer-term fluctuations or trends.
PCT/DE1998/001194 1997-05-03 1998-04-30 Diagnosis based on phasic sinus arrhythmia WO1998049932A1 (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2664607C2 (en) * 2016-09-01 2018-08-21 Людмила Николаевна Громыко Method for determining ecg pulse duration

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19853765C1 (en) * 1998-11-21 2000-07-13 Forschungszentrum Juelich Gmbh Method and device for determining regularity
DE19918714C2 (en) 1999-04-26 2001-07-26 Gerhard Silber Process for non-invasive internal pressure measurement in elastic vessels
FI20025029A0 (en) * 2002-05-29 2002-05-29 Joni Kettunen A method for obtaining reliable respiratory activity information from heart rate measurement
NL2000118C2 (en) * 2006-06-30 2008-01-02 R & S Techmedic B V Method and analysis device for analyzing respiration.

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0113200A1 (en) * 1982-12-15 1984-07-11 William J.M. Hrushesky Medical instrument for noninvasive measurement of cardiovascular characteristics
WO1990003144A1 (en) * 1988-09-26 1990-04-05 Hrushesky William J Sinus arrhythmia monitor
WO1992006632A1 (en) * 1990-10-18 1992-04-30 The Victoria University Of Manchester Depth of anaesthesia monitoring
WO1996020639A1 (en) * 1994-12-29 1996-07-11 Bo Von Scheele A device for indication and behaviour medical control of states of stress

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5299119A (en) * 1989-07-06 1994-03-29 Qmed, Inc. Autonomic neuropathy detection and method of analysis
US5594637A (en) * 1993-05-26 1997-01-14 Base Ten Systems, Inc. System and method for assessing medical risk

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0113200A1 (en) * 1982-12-15 1984-07-11 William J.M. Hrushesky Medical instrument for noninvasive measurement of cardiovascular characteristics
WO1990003144A1 (en) * 1988-09-26 1990-04-05 Hrushesky William J Sinus arrhythmia monitor
WO1992006632A1 (en) * 1990-10-18 1992-04-30 The Victoria University Of Manchester Depth of anaesthesia monitoring
WO1996020639A1 (en) * 1994-12-29 1996-07-11 Bo Von Scheele A device for indication and behaviour medical control of states of stress

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ANGELONE A. AND N.A. COULTER: "Respiratory sinus arrhytmia: a frequency dependent phenomenon", J. APPL. PHYSIOL., vol. 19, 1964, pages 479-482
HIRSCH J.A. AND B. BISHOP: "Respiratory sinus arrhytmia in humans: how breathing pattern modulates heart rate", AM. J. PHYSIOL., no. 241, 1981, pages H620-629
SCHIEK, M., F.R. DREPPER, R. ENGBERT/KANTZ, KURTHS (EDS): "Cardiorespiratory Synchronization", NONLINEAR ANALYSIS OF PHYSIOLOGICAL DATA, 1997, BERLIN, SPRINGER

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2664607C2 (en) * 2016-09-01 2018-08-21 Людмила Николаевна Громыко Method for determining ecg pulse duration

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