WO1999067758A1 - Verfahren und vorrichtung zur erkennung von driften, sprüngen und/oder ausreissern von messwerten - Google Patents

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WO1999067758A1
WO1999067758A1 PCT/DE1999/001820 DE9901820W WO9967758A1 WO 1999067758 A1 WO1999067758 A1 WO 1999067758A1 DE 9901820 W DE9901820 W DE 9901820W WO 9967758 A1 WO9967758 A1 WO 9967758A1
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Martin Daumer
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Martin Daumer
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B29/00—Checking or monitoring of signalling or alarm systems; Prevention or correction of operating errors, e.g. preventing unauthorised operation
    • G08B29/18—Prevention or correction of operating errors
    • G08B29/20—Calibration, including self-calibrating arrangements
    • G08B29/24—Self-calibration, e.g. compensating for environmental drift or ageing of components
    • G08B29/26—Self-calibration, e.g. compensating for environmental drift or ageing of components by updating and storing reference thresholds

Definitions

  • the invention relates to a method for the detection of an alarm state or for the detection of drifts, jumps and / or outliers of measurement signal values received via measurement data acquisition means, an alarm state being triggered when a currently received measurement signal value or a value derived from measurement values predetermined limit value or predetermined interval limits is exceeded.
  • Examples of the extremely numerous applications of the method according to the invention are, in particular in the field of medicine, perioperative monitoring, monitoring vital parameters in intensive care units, sleep monitoring, CTG (cardio-tocography), and in other areas fire and smoke warning systems, acoustic monitoring systems, such as B. Baby monitor called.
  • Alarm systems in intensive care monitors which typically display and analyze cardiovascular parameters (ECG, blood pressure), oxygen saturation (SpO2), gas exchange and metabolic parameters as well as EEG and EMG online, are intended to draw the attention of the attending physician or nurse to potentially life-threatening conditions for the direct monitored patients.
  • ECG cardiovascular parameters
  • SpO2 oxygen saturation
  • gas exchange gas exchange
  • metabolic parameters as well as EEG and EMG online
  • a high degree of adaptability in order to avoid that too many parameters have to be preset by hand and readjusted during the treatment, and thus distract from the actual monitoring task. In particular, it should be possible to recognize several alarm situations which follow one another at a certain time interval. 4. A high degree of meaningfulness of the adjustable parameters to ensure that the alarm system can also be operated easily and without errors.
  • the high false alarm rate leads to desensitization of the surveillance personnel and frequent manual alarm deactivation.
  • the known alarm systems are triggered when the size to be monitored exceeds the preset upper or lower limits. Such alarm systems are referred to as threshold alarm systems. In order to lower the false alarm rate, the upper limit must be chosen rather high and the lower limit rather low, which inevitably leads to longer time delays in alarm-worthy situations. In addition, such an all-or-nothing system does not comply with the ISO standard, which proposes a graduated alarm system with different warning divisions.
  • the threshold alarm In the known threshold alarm system, an upper and a lower threshold are specified for a fluctuating signal, an alarm being triggered when the signal moves from the interval defined by the threshold values.
  • the threshold alarm has the following disadvantages. He is unstable towards
  • Runaway It is not adaptive, ie limits have to be set manually and, in particular in the case of a signal with a drift, e.g. B. caused by a time be permanently adjusted before changing the detector sensitivity. If the threshold alarm limits are set too far, there will be long delays before an alarm is detected. If the limits are too narrow, false alarms often occur. In practice, therefore, a so-called “border balancing act” or an option, such as "all alarms off for two minutes", is set. Furthermore, the threshold alarm system is not suitable in the event that a large number of signals must be monitored by an alarm system.
  • a fire alarm system for determining and delivering an analog value corresponding to a change in a physical appearance of the ambient conditions.
  • a sampling device for sampling an analog detection signal emitted from a determination section within a certain period of time
  • a data processing device for forming an average value from the sampling data
  • a storage device in which this sampling data can be stored and an alarm device which detects the presence of a fire after evaluation of the Indicates mean
  • the data processing device is designed such that the scan data are written sequentially into the memory device, and a moving average is continuously formed from a certain number of the last stored scan data, the oldest scan data storage value in the sequence being replaced by the latest one .
  • DE 31 27 324 A1 discloses a method and an arrangement for increasing the sensitivity and interference immunity in a hazard, in particular fire alarm system.
  • the method used to trigger the alarm is adaptive and thus capable of learning. Therefore, the above methods are unable to adapt, for example, to a change in the sensitivity of the detector over time.
  • DE 44 17 574 C2 relates to patient alarm detection using a target mode. In this process, an intentional change a physiological parameter of a patient dynamic
  • the object of the present invention is therefore to avoid the disadvantages of the prior art and, in particular, to further develop a method of the type mentioned at the outset in such a way that an "alarm situation" is recognized more quickly and with a lower false alarm rate compared to the prior art.
  • the object is achieved in that, in a first step, the mean value and the corresponding scatter of these measurement signal values are calculated from the mean value in a settable time window for temporally successive measurement signal values, that in a second step each further subsequent measurement signal value for obtaining a the respective evaluation variable is compared with the mean value and weighted with the scatter, and in a third step an outlier state is detected in the case of an evaluation variable exceeding an adjustable outlier parameter, while in an evaluation quantity exceeding an adjustable outlier parameter
  • Evaluation variable an alarm state indicating the presence of a significant drift or jump in the measurement signal values is detected.
  • the currently received measurement signal values are compared with the mean value and the scatter representing the fluctuation range, the evaluation variable determined thereby representing a measure of the presence of a significant drift.
  • An advantage of the method according to the invention is that on-line detection of outliers is provided. It is also advantageous that the method according to the invention is adaptive, i. H. for example only physiological
  • the evaluation variable is determined by forming the difference between the measurement signal value and the calculated mean value and then normalizing the difference.
  • the evaluation variable is weighted by forming a division from the normalized difference between the measurement signal value and the mean value with the calculated scatter.
  • an outlier state is detected when the normalized difference between the measurement signal value and the mean value, weighted with the calculated scattering, exceeds the set outlier parameter.
  • an alarm state is detected if the normalized difference between the measured signal value and the mean value, weighted with the calculated scatter, exceeds the set alarm parameter.
  • the corresponding measurement signal value is replaced by the current mean value calculated in the time-shifted window when an outlier condition occurs and the next following measurement signal value is processed.
  • a different type of replacement can be carried out, which is particularly preferred for statistical reasons. It can for example, adding a noise or performing another imputation.
  • the outlier value can in particular be replaced by an average plus an added random number, which originates from a probability distribution.
  • a falsified or falsified measurement value can also simply be ignored for the further calculation.
  • the mean value of the successive measurement signal values is formed from the summation of the individual measurement signal values, the number of the summation steps being determined by the width of the time window.
  • the standard deviation is used as the scatter, the number of summation steps being determined by the width of the time window.
  • time window is positioned by means of a time delay in order to be able to recognize even small gradients in the course of the measured variable over time, so that long-term drifts due to a correspondingly distant one , delayed moving window. Short-term drifts can also be detected with a correspondingly close, delayed moving window.
  • the outlier parameter is set to a higher value than the alarm parameter.
  • the width of the time window is preferably set to 10 successive measurement signal values and the outlier parameter is set to 6 and the alarm parameter to 3.
  • the above-mentioned object is achieved in a device with a measured value detection device for receiving measured value signals and a measured value transmission device for converting and processing the received measured value signals, and one when a measured value is exceeded
  • Alarm device which can be triggered by the limit value is solved in that, in order to detect the measurement signal values, in a time window which can be set according to width and time delay.
  • a memory device is provided that in an initialization phase for temporally successive measurement signal values in the adjustable time window, calculation means are provided for calculating the mean values and the corresponding scatter, and that in a process phase a processor device is provided for obtaining an evaluation variable, with an adjustable alarm parameter exceeding evaluation size actuated the alarm device.
  • outlier states and alarm states can thus be distinguished from one another in accordance with an evaluation variable thereby obtained, so that the false alarm rate can thus be significantly reduced compared to methods according to the prior art.
  • 3a shows a highly schematic illustration of a drift
  • 3b is a highly schematic representation of a jump
  • 3c shows a highly schematic illustration of an outlier.
  • the method according to the invention which is preferably implemented as a software program, is illustrated with its essential process steps in a flow diagram, designated as a whole by 10, in FIG. 1.
  • a time window is provided in which an average value 2 and the associated scatter 3 of the measurement signal values around this average value are calculated over a length of i successive steps for the measurement signal values recorded in the time window.
  • the mean value is not calculated from a series of the immediately preceding measured values, but that from a time window of latitude ⁇ in the past with the selectable time delay d.
  • the lower summation limit for determining the mean value thus results from the subtraction nd- ⁇ , where n denotes the number of time steps carried out, d the time delay and ⁇ the window width.
  • the upper summation limit results from the subtraction nd, so that the summation index i runs from nd- ⁇ to nd.
  • the same summation limits apply to the determination of the scatter 3.
  • an incrementation is carried out in a process step 4.
  • the measurement signal value Y n acquired in a specific time step is compared with the mean value determined in the initialization phase by carrying out a difference formation and providing this difference formation with an amount normalization.
  • the amount-standardized difference is weighted with the variance by including the variance as a divisor.
  • the evaluation variable thereby obtained serves as a measure for the detection of outlier states occurring in this process step 4. If the evaluation variable obtained for the currently recorded measurement signal value is greater than a preset outlier parameter o (o> 0), the query in process step 4 reveals that an outlier state 6 is present. The outlier state can be ignored for the following calculation or replaced by a "reasonable" value. Imputation procedures are particularly suitable for this. In this case, the sequence program returns to increment instruction 4.
  • query block 7 determines whether the evaluation variable obtained for the currently recorded measurement signal value is greater than a preset alarm parameter a. If the result is positive, an alarm state 8 is present.
  • a return to the initialization phase is carried out, while if the result is negative, a return is made to the increment instruction.
  • the outlier parameter is assigned a higher value than the alarm parameter.
  • the abscissa axis serves as the time axis ⁇ C p, while the ordinate axis represents the amplitude of the measurement signal.
  • 3a shows a highly schematic illustration of a drift.
  • 3b shows a highly schematic representation of a jump.
  • 3c shows a highly schematic representation of an outlier. The time dependence of a measured signal is shown.
  • the internal parameters of the algorithm are the window width ⁇ ( ⁇ > 0), the delay d (d> 0), the initialization length i (i> ⁇ + d), the outlier parameter o (o> 0) and the alarm parameter a (a> 0).
  • the newly measured value is compared with an average value estimated from the previous measured values together with the associated scatter (the empirical standard deviation) - in this respect, the algorithm is a natural generalization of the normal threshold alarm, in which the mean value and the spread are known be assumed. However, the mean value is not calculated from a series of the immediately preceding measured values, but from a time window of width ⁇ in the past, with the selectable time delay d.
  • the type of calculation circumvents the problem that the measured values used to estimate the mean value and the spread have already started to drift and thus contribute to a considerable bias, which can go so far that a sufficiently slow drift is not recognized at all. Rather, the freely selectable delay d gives the option of choosing the critical angle of the slope that is just about to be recognized. Naturally, the smaller the slope, the larger d must be chosen.
  • Each newly measured value is compared with the current mean value estimated according to the method according to the invention as follows: the measured value is more than the product of the selectable outlier factor and the scatter of the estimated mean value removed, it is classified as an outlier and replaced for further calculations by the current mean value (plus a random number with an expected value of zero and scatter according to the estimated scatter).
  • the measured value is more than the product of (selectable) alarm factor a and scatter from the estimated mean, it is output that there is a significant drift, depending on the direction of the deviation, a drift upwards or below. In all other cases, no message is issued. Then the next time step is processed. You can choose whether you want to reinitialize after an alarm is issued, possibly with a further selectable time delay, or whether you want to continue calculating without a new initialization.
  • the window width ⁇ influences the fluctuations of the estimated mean - the fluctuations decrease proportionally to the root of ⁇ .
  • outlier parameter o 6
  • the alarm parameter a 3.
  • the calculated information outliers yes / no, alarm for drift up / down, or no significant drift can either be output directly on the screen or acoustically via agreed sound sequences, or at the entrance to an intelligent alarm system.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Erkennung eines Alarmzustands von über Meßwerterfassungsmittel empfangenen Meßsignalwerten, wobei ein Alarmzustand ausgelöst wird, wenn für einen aktuell empfangenen Meßsignalwert wenigstens ein vorgegebener Grenzwert überschritten wird, ergibt sich eine schnellere Erkennung einer Alarmsituation mit einer gleichzeitig geringeren Fehlalarmrate dadurch, daß in einem ersten Schritt für zeitlich aufeinanderfolgende Meßsignalwerte in einem einstellbaren Zeitfenster, deren Lageparameter (2) und ein entsprechender Streuparameter (3) dieser Meßsignalwerte von dem Lageparameter berechnet wird, daß in einem zweiten Schritt jeder weitere nachfolgende Meßsignalwert zur Gewinnung einer jeweiligen Bewertungsgröße mit dem Lageparameter (2) verglichen und mit dem Streuparameter (3) gewichtet wird, und daß in einem dritten Schritt bei einer einen einstellbaren Ausreißerparameter überschreitenden Bewertungsgröße ein Ausreißerzustand (6) detektiert wird, während bei einer einen einstellbaren Alarmparameter überschreitenden Bewertungsgröße ein das Vorliegen eines signifikanten Drifts oder Sprungs der Meßsignalwerte indizierender Alarmzustand (8) detektiert wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Driften, Sprüngen und/oder Ausreißern von Meßwerten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Alarmzustands bzw. zur Erkennung von Driften, Sprüngen und/oder Ausßreißern von über Meßwerterfas- sungsmittel empfangenen Meßsignalwerten, wobei ein Alarmzustand ausgelöst wird, wenn für einen aktuell empfangenen Meßsignalwert bzw. für einen aus Meßwerten abgeleiteten Wert ein vorgegebener Grenzwert oder vorgegebene Intervallgrenzen überschritten wird bzw. werden. Als Beispiele für die äußerst zahlreichen Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens seien insbesondere auf dem Gebiet der Medizin die perioperative Überwachung, die Überwachung von Vitalparametern auf Intensivstationen, die Schlafüberwachung, CTG (Cardio-Tocographie), und auf anderen Gebieten Feuer- und Rauchwarnsysteme, akustische Überwachungssysteme, wie z. B. Babyphon, genannt.
Alarmsysteme bei intensivmedizinischen Monitoren, die typischerweise Herz- Kreislaufparameter (EKG, Blutdruck), Sauerstoffsättigung (SpO2), Gasaustausch und Stoffwechselparameter als auch EEG und EMG online darstellen und analysieren, sollen die Aufmerksamkeit des behandelnden Arztes oder Krankenpfle- gers auf potentiell lebensbedrohliche Bedingungen für den überwachten Patienten lenken. Ein ideales Alarmsystem würde sich durch folgende Eigenschaften auszeichnen, die alle beim Stand der Technik nicht optimal verwirklicht sind:
1. Geringe Fehlalarmrate, um den unerwünschten Effekt der Gewöhnung an die Alarmsituation zu vermeiden und um der Neigung zum Desaktivieren des oft als störend empfundenen Alarms entgegenzuwirken.
2. Kurze Verzögerungszeiten zwischen Anbahnung einer krititschen Situation und der Auslösung des Alarms, um einen unter Umständen lebenswichtigen Zeit- vorsprung für therapeutische Eingriffe zu gewährleisten.
3. Hohes Maß an Adaptionsvermögen, um zu vermeiden, daß allzuviele Parameter von Hand voreingestellt und während der Behandlung nachgestellt werden müssen, und damit von der eigentlichen Überwachungsaufgabe ablenken. Insbe- sondere sollen mehrere mit gewissem Zeitabstand aufeinanderfolgende Alarmsitutationen erkannt werden können. 4. Hohes Maß an Aussagekraft der einstellbaren Parameter, um zu gewährleisten, daß das Alarmsystem auch leicht und fehlerfrei bedienbar ist.
5. Größtmögliche Einfachheit und damit größtmögliche Rechengeschwindigkeit, um aufwendige Rechnungen zu vermeiden, die nur mit teuren Prozessoren und Speicherelementen durchführbar wären, und um etwaige Rechenzeitbeschränkungen zu umgehen.
6. Große Aussagekraft, um differenzierte Reaktionen zu ermöglichen.
7. Integrierte Erkennung von Ausreißern, um eine Differenzierung zwischen lebensbedrohlichen Zuständen, Gerät- und Zuleitungsversagen und Fehlmessungen zu ermöglichen.
8. Klare Entscheidungsregeln, um Exportierbarkeit zu gewährleisten und eine retrospektive Analyse und Parameterkorrektur zu ermöglichen.
Derzeitige Alarmsysteme in der Intensivmedizin haben eine Fehlalarmrate von 70% bis 99,5%, und zwar in Abhängigkeit von der überwachten physiologischen
Größe. Die hohe Fehlalarmrate führt zur Desensibilisierung des Überwachungspersonals und zur häufigen manuellen Alarmdeaktivierung. Die bekannten Alarmsysteme werden ausgelöst, wenn die zu überwachende Größe voreingestellte obere bzw. untere Grenzen überschreitet. Derartige Alarmsysteme werden als Schwellenwertalarmsysteme bezeichnet. Um die Fehlalarmrate zu senken muß die obere Grenze eher hoch und die untere Grenze eher niedrig gewählt werden, was bei alarmwürdigen Situationen allerdings unvermeidlich zu größeren Zeitverzögerungen führt. Außerdem entspricht solch ein Alles-oder-Nichts- System nicht der ISO-Norm, die ein abgestuftes Alarmierungssystem mit ver- schiedenen Warnungseinteilungen vorschlägt.
Bei dem bekannten Schwellenalarmsystem wird für ein fluktuierendes Signal eine obere und eine untere Schwelle vorgegeben, wobei, wenn sich das Signal aus dem von den Schwellenwerten definierten Intervall bewegt, ein Alarm ausgelöst wird. Der Schwellenwertalarm hat folgende Nachteile. Er ist instabil gegenüber
Ausreißern. Er ist nicht adaptiv, d. h. Grenzen müssen per Hand eingestellt und, insbesondere bei einem Signal mit einer Drift, z. B. verursacht durch eine zeitli- ehe Änderung der Detektorempfindlichkeit, permanent nachgestellt werden. Werden die Grenzen des Schwellenwertalarms zu weit eingestellt, kommt es zu langen Verzögerungszeiten, bis ein Alarm erkannt wird. Bei zu engen Grenzen treten dagegen häufig Fehlalarme auf. Daher wird in der Praxis ein sog. „Grenzen- spagat" beziehungsweise eine Option, wie zum Beispiel „all alarms off for two minutes", eingestellt. Ferner ist das Schwellenwertalarmsystem nicht für den Fall geeignet, daß eine Vielzahl von Signalen durch ein Alarmsystem überwacht werden muß.
Zum Stand der Technik wird auf die Patentschrift DE 35 23 232 C2 verwiesen.
Aus dieser Druckschrift ist ein Feueralarmsystem zum Ermitteln und Abgeben eines einer Änderung in einer physikalischen Erscheinung der Umgebungsverhältnisse entsprechenden analogen Wertes bekannt. Dabei sind eine Abtasteinrichtung zum Abtasten eines aus einem Ermittlungsabschnitt abgegebenen analogen Erfassungssignals innerhalb einer bestimmten Zeitspanne, eine Datenverarbeitungseinrichtung zur Bildung eines Mittelwertes aus den Abtastdaten, sowie eine Speichereinrichtung, in der diese Abtastdaten speicherbar sind und eine Alarmeinrichtung, die das Vorliegen eines Feuers nach Auswertung des Mittelwerts anzeigt, vorgesehen. Charakteristischerweise ist die Datenverarbeitungseinrich- tung derart ausgebildet, daß die Abtastdaten sequentiell in die Speichereinrichtung eingeschrieben werden, und aus einer bestimmten Zahl der zuletzt gespeicherten Abtastdaten wird fortlaufend ein gleitender Mittelwert gebildet, wobei jeweils der in der Sequenz älteste Abtastdaten-Speicherwert durch den neuesten ersetzt wird.
Ferner ist aus der DE 31 27 324 A1 ein Verfahren und eine Anordnung zur Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit und der Störsicherheit in einer Gefahren-, insbesondere Brandmeldeanlage, bekannt.
Aus beiden oben genannten Druckschriften ist insbesondere nicht bekannt, einen
Streuparameter aus den aufeinanderfolgenden Meßwerten zu berechnen, so daß das zur Alarmauslösung dienende Verfahren adaptiv, und somit lernfähig, ist. Daher sind die obigen Verfahren nicht in der Lage sich beispielsweise einer zeitlichen Änderung der Detektorempfindlichkeit anzupassen.
Schließlich betrifft die DE 44 17 574 C2 eine Patientenalarmerfassung unter Verwendung eines Zielmodus. Bei diesem Verfahren werden bei einer beabsich- tigten Änderung eines physiologischen Parameters eines Patienten dynamische
Grenzen definiert und dann ein Alarm erzeugt, wenn die gemessenen Parameterwerte außerhalb der dynamischen Grenzen liegen. Diese Druckschrift offenbart daher lediglich eine Variante des an sich bekannten Schwellenalarms.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, und insbesondere ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß gegenüber dem Stand der Technik eine "Alarmsituation" schneller und mit einer geringeren Fehlalarmrate er- kannt wird.
Die Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht dadurch gelöst, daß in einem ersten Schritt für zeitlich aufeinanderfolgende Meßsignalwerte in einem einstellbaren Zeitfenster deren Mittelwert und die entsprechende Streuung dieser Meß- signalwerte von dem Mittelwert berechnet wird, daß in einem zweiten Schritt jeder weitere nachfolgende Meßsignalwert zur Gewinnung einer jeweiligen Bewertungsgröße mit dem Mittelwert verglichen und mit der Streuung gewichtet wird, und daß in einem dritten Schritt bei einer einen einstellbaren Ausreißerparameter überschreitenden Bewertungsgröße ein Ausreißerzustand detektiert wird, während bei einer einen einstellbaren Alarmparameter überschreitenden
Bewertungsgröße ein das Vorliegen eines signifikanten Drifts oder Sprungs der Meßsignalwerte indizierender Alarmzustand detektiert wird.
Mithin wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwischen zwei Phasen unter- schieden, wobei in einer ersten Phase ein Zeitfenster bereitgestellt wird, in dem der charakteristische Verlauf der darin erfaßten Meßsignalwerte ausgewertet wird, wobei der statistische Mittelwert und die Fluktuationsbreite der erfaßten Meßsignalwerte um diesen Mittelwert ermittelt wird. In der zweiten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die aktuell empfangenen Meßsignalwerte mit dem Mittelwert und der die Fluktuationsbreite repräsentierenden Streuung verglichen, wobei die dabei ermittelte Bewertungsgröße ein Maß für das Vorliegen einer signifikanten Drift darstellt. Indem in diese so gewonnene Bewertungsgröße die zeitliche Entwicklung der in dem Zeitfenster erfaßten Meßsignalwerte eingeht, ergibt sich insgesamt ein höherer Zuverlässigkeitsgrad bei der Erken- nung von Alarmzuständen gegenüber Verfahren nach dem Stand der Technik, so daß sich mithin eine geringere Fehlalarmrate erzielen läßt. Dies beruht insbesondere auf der automatischen Nachführung der Intervallgrenzen. Durch die auf- grund des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Unterscheidung zwischen, zu Verfälschungen und/oder Fehlalarmen führenden, Ausreißerzuständen und Alarmzuständen wird bei intensivmedizinischen Anwendungen eine Differenzierung zwischen lebensbedrohlichen Zuständen einerseits und zu Fehlmessun- gen führenden Geräte- oder Zuleitungsversagen andererseits ermöglicht, was zu einer weiteren Reduktion der Fehlalarmrate führt.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß eine on-line Erkennung von Ausreißern vorgesehen wird. Ferner ist vorteilhaft, daß das erfin- dungsgemäße Verfahren adaptiv ist, d. h. beispielsweise nur physiologische
Grenzen voreingestellt werden müssen. Ferner können erfindungsgemäß Driften und/oder Sprünge automatisch erkannt werden. Schließlich weist das erfindungsgemäße Verfahren lediglich eine kurze Verzögerungszeit auf.
Um eine hohe Rechengeschwindigkeit zu erzielen, wird die Bewertungsgröße durch Differenzbildung zwischen dem Meßsignalwert und dem berechneten Mittelwert mit anschließender Normierung der Differenz ermittelt. Dabei wird die Wichtung der Bewertungsgröße durch eine Divisionsbildung aus der normierten Differenz zwischen dem Meßsignalwert und dem Mittelwert mit der berechneten Streuung vorgenommen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Ausreißerzustand detektiert, wenn die mit der berechneten Streuung ge- wichtete normierte Differenz zwischen Meßsignalwert und Mittelwert den einge- stellten Ausreißerparameter übersteigt. Hingegen wird ein Alarmzustand detektiert, wenn die mit der berechneten Streuung gewichtete normierte Differenz zwischen Meßsignalwert und Mittelwert den eingestellten Alarmparameter übersteigt.
Um Meßfehler, die beispielsweise durch gerätetechnisches Versagen oder meßtechnische Artefakte Zustandekommen, zu eliminieren, wird bei Auftreten eines Ausreißerzustands der entsprechende Meßsignalwert durch den aktuellen, in dem zeitversetzten Fenster berechneten, Mittelwert ersetzt und der nächstfolgende Meßsignalwert bearbeitet.
Alternativ dazu kann auch eine anders geartete Ersetzung vorgenommen werden, welche insbesondere aus statistischen Gründen bevorzugt ist. Es kann bei- spielsweise ein Rauschen addiert werden oder eine sonstige Imputation durchgeführt werden. Dabei kann der Ausreißerwert insbesondere durch einen Mittelwert plus addierter Zufallszahl, welche einer Wahrscheinlichkeitsverteilung entstammt, ersetzt werden. Schließlich kann ein derartiger verfälschender bzw. ver- fälschter Meßwert für die weitere Berechnung auch einfach ignoriert werden.
Als zweckmäßig hat sich erwiesen, wenn der Mittelwert der aufeinanderfolgenden Meßsignalwerte aus der Summation der einzelnen Meßsignalwerte gebildet wird, wobei die Anzahl der Summationsschritte durch die Breite des Zeitfensters bestimmt wird. Dabei wird als Streuung die Standardabweichung zugrundegelegt, wobei die Anzahl der Summationsschritte durch die Breite des Zeitfensters bestimmt wird.
Eine in rechentechnischer Hinsicht besonders vorteilhafte Weiterbildung des er- findungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß mittels einer Zeitverzögerung eine Positionierung des Zeitfensters vorgenommen wird, um auch kleine Steigungen im zeitlichen Verlauf der erfaßten Meßgröße erkennen zu können, so daß sich auch Langzeitdrifts durch ein entsprechend weit entferntes, verzögertes Fenster (delayed moving window) erfassen lassen. Ebenso können auch kurz- zeitige Driften bei entsprechend nahem, verzögertem Fenster (delayed moving window) erkannt werden.
Um eine Unterscheidung zwischen auftretenden Ausreißerzuständen und Alarmzuständen zu erleichtern, wird der Ausreißerparameter auf einen höheren Wert als der Alarmparameter gesetzt.
Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Breite des Zeitfensters vorzugsweise auf 10 zeitlich aufeinanderfolgende Meßsignalwerte festgelegt wird und der Ausreißerparameter auf 6 und der Alarmparameter auf 3 fest- gelegt wird.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die oben angegebene Aufgabe bei einer Vorrichtung mit einer Meßwerterfassungseinrichtung zum Empfang von Meßwertsignalen und einer Meßwertübertragungseinrichtung zur Wandlung und Ver- arbeitung der empfangenen Meßwertsignale sowie einer bei Überschreiten eines
Grenzwerts auslösbaren Alarmeinrichtung dadurch gelöst, daß zur Erfassung der Meßsignalwerte in einem nach Breite und Zeitverzögerung einstellbaren Zeitfen- ster eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, daß in einer Initialisierungsphase für zeitlich aufeinanderfolgende Meßsignalwerte in dem einstellbaren Zeitfenster Berechnungsmittel zur Berechnung der Mittelwerte und der entsprechenden Streuungen vorgesehen sind und daß in einer Prozeßphase für die Gewinnung einer Bewertungsgröße eine Prozessoreinrichtung vorgesehen ist, die bei einer einen einstellbaren Alarmparameter überschreitenden Bewertungsgröße die Alarmeinrichtung betätigt.
Durch Zusammenwirken der einzelnen Komponenten sind somit nach Maßgabe einer dadurch gewonnenen Bewertungsgröße Ausreißerzustände und Alarmzustände voneinander unterscheidbar, so daß sich mithin die Fehlalarmrate gegenüber Verfahren nach dem Stand der Technik signifikant reduzieren läßt.
Anhand der beigefügten Zeichnung soll nachstehend eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert werden. In teilweise schematischen Ansichten zeigen:
Fig. 1 ein Flußdiagramm mit den wesentlichen Prozeßschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 ein Meßwertspektrum der zeitlichen Entwicklung einer physiologischen Meßgröße;
Fig. 3a eine stark schematische Darstellung einer Drift;
Fig. 3b eine stark schematische Darstellung eines Sprungs; und
Fig. 3c eine stark schematische Darstellung eines Ausreißers.
Das erfindungsgemäße Verfahren, das vorzugsweise als Softwareprogramm implementiert wird, ist mit seinen wesentlichen Prozeßschritten in einem im ganzen mit 10 bezeichneten Ablaufschema in Fig. 1 veranschaulicht. Während einer Initialisierungsphase 1 wird ein Zeitfenster bereitgestellt, in dem auf einer Länge von i zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten für die in dem Zeitfenster erfaßten Meßsignalwerte ein Mittelwert 2 und die dazugehörige Streuung 3 der Meßsignalwerte um diesen Mittelwert errechnet wird. Der Mittelwert wird allerdings nicht aus einer Serie der unmittelbar vorangehenden Meßwerte berechnet, son- dem aus einem Zeitfenster der Breite ω in der Vergangenheit mit der wählbaren Zeitverzögerung d. Die untere Summationsgrenze für die Ermittlung des Mittelwerts ergibt sich somit aus der Subtraktion n-d-ω, wobei n die Anzahl der ausgeführten Zeitschritte, d die Zeitverzögerung und ω die Fensterbreite bezeichnet. Demgegenüber ergibt sich die obere Summationsgrenze aus der Subtraktion n-d, so daß der Summationsindex i von n-d-ω bis n-d läuft. Die gleichen Summations- grenzen gelten für die Ermittlung der Streuung 3.
In der eigentlichen Prozeßphase wird in einem Prozeßschritt 4 eine Inkrementie- rung vorgenommen. In einem weiteren Prozeßschritt 5 wird der in einem bestimmten Zeitschritt erfaßte Meßsignalwert Yn mit dem in der Initialisierungsphase ermittelten Mittelwert verglichen, indem eine Differenzbildung durchgeführt und diese Differenzbildung mit einer Betragsnormierung versehen wird. Um bei dem Vergleich auch die Streuung mitzuberücksichtigen, wird die betragsnor- mierte Differenz mit der Streuung gewichtet, indem die Streuung als Divisor einbezogen wird. Die dadurch gewonnene Bewertungsgröße dient als Maß bei der Erkennung von auftretenden Ausreißerzuständen in diesem Prozeßschritt 4. Ist nämlich die für den aktuell erfaßten Meßsignalwert gewonnene Bewertungsgröße größer als ein voreingestellter Ausreißerparameter o (o >0), so ergibt die Abfrage in diesem Prozeßschritt 4, daß ein Ausreißerzustand 6 vorliegt. Der Ausreißerzustand kann für die folgende Berechnung ignoriert oder durch einen "vernünftigen" Wert ersetzt werden. Dazu eignen sich insbesondere Imputationsverfahren. Für diesen Fall kehrt das Ablaufprogramm zur Inkrementierungsanweisung 4 zurück.
Ergibt die Abfrage in dem Block 5 ein negatives Ergebnis, so wird in dem Abfrageblock 7 ermittelt, ob die für den aktuell erfaßten Meßsignalwert gewonnene Bewertungsgröße größer als ein voreingestellter Alarmparameter a ist. Bei einem positiv ermittelten Ergebnis liegt ein Alarmzustand 8 vor. Im Ausführungsbeispiel wird in diesem Fall ein Rücksprung zur Initialisierungsphase vorgenommen, wäh- rend bei einem negativen Ergebnis ein Rücksprung zur Inkrementierungsanweisung vorgenommen wird. Als Randbedingung bei der Unterscheidung zwischen Ausreißerzuständen und Alarmzuständen wird dem Ausreißerparameter ein höherer Wert als dem Alarmparameter zugewiesen. Durch die Unterscheidung zwischen Ausreißerzuständen und Alarmzuständen wird eine Differenzierung zwi- sehen signifikanten Zuständen und Fehlmessungen erzielt, wobei Fehlmessungen durch Zuleitungsversagen oder meßtechnische Artefakte entstehen können. Die Erkennung und Eliminierung derartiger Fehlmessungen führt somit zu einer Reduktion von Fehlalarmen.
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf einer physiologischen Meßgröße. Dabei dient die Abszissenachse als Zeitachse τCp, während die Ordinatenachse die Amplitude des Meßsignals wiedergibt.
Fig. 3a zeigt eine stark schematische Darstellung einer Drift. Fig. 3b zeigt eine stark schematische Darstellung eines Sprungs. Fig. 3c zeigt eine stark schemati- sehe Darstellung eines Ausreißers. Es ist dabei die zeitliche Abhängigkeit eines gemessenen Signals dargestellt.
Zusammenfassend ist für das erfindungsgemäße Verfahren mithin charakteristisch: Die internen Kenngrößen des Algorithmus sind die Fensterbreite ω (ω>0), die Verzögerung d (d>0), die Initialisierungslänge i (i>ω+d), der Ausreißerparameter o (o >0) und der Alarmparameter a (a>0).
Nach einer Initialisierungsphase der Länge von i Zeitschritten wird der jeweils neu gemessene Wert mit einem aus den bisherigen Meßwerten geschätzten Mittelwert samt zugehöriger Streuung (der empirischen Standardabweichung) verglichen - insofern ist der Algorithmus eine natürliche Verallgemeinerung des normalen Schwellenwertalarms, bei dem Mittelwert und Streubreite als bekannt vorausgesetzt werden. Der Mittelwert wird allerdings nicht aus einer Serie der unmittelbar vorangehenden Meßwerte berechnet, sondern aus einem Zeitfenster der Breite ω in der Vergangenheit, mit der wählbaren Zeitverzögerung d. Diese
Art der Berechnung umgeht das Problem, daß die zur Schätzung des Mittelwertes und der Streubreite verwendeten Meßwerte bereits abzudriften begonnen haben und damit zu einem erheblichen Bias beitragen, der soweit gehen kann, daß eine genügend langsame Drift überhaupt nicht erkannt wird. Vielmehr ist über die frei wählbare Verzögerung d die Möglichkeit gegeben, den Grenzwinkel derjenigen Steigung zu wählen, die man gerade noch erkennen will. Naturgemäß muß d umso größer gewählt werden, je kleiner die Steigung ist. Jeder neu gemessene Wert wird mit dem aktuellen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geschätzten Mittelwert folgendermaßen verglichen: liegt der Meßwert mehr als das Pro- dukt aus wählbarem Ausreißerfaktor und Streuung vom geschätzten Mittelwert entfernt, so wird er als Ausreißer klassifiziert und für weitere Berechnungen durch den aktuellen Mittelwert (plus eine Zufallszahl mit Erwartungswert Null und Streuung entsprechend der geschätzten Streuung) ersetzt. Falls dies nicht der Fall ist, der Meßwert jedoch mehr als das Produkt aus (wählbarem) Alarmfaktor a und Streuung vom geschätzten Mittelwert entfernt liegt, wird ausgegeben, daß eine signifikante Drift vorhanden ist, und zwar je nach Richtung der Abweichung eine Drift nach oben oder unten. In allen anderen Fällen wird keine Meldung ausgegeben. Danach wird der nächste Zeitschritt abgearbeitet. Es ist wählbar, ob nach einem ausgegebenen Alarm neu initialisiert werden soll, unter Umständen mit einer weiteren wählbaren Zeitverzögerung, oder ob ohne neue Initialisierung weitergerechnet werden soll. Die Fensterbreite ω beeinflußt die Schwankungen des geschätzten Mittelwertes - die Schwankungen verringern sich dabei proportional zur Wurzel aus ω.
Für viele Zwecke erweisen sich folgende Werte als günstige Ausgangswerte, die dann optimiert werden können: Fensterbreite ω>10, Ausreißerparameter o=6 und der Alarmparameter a=3. Die berechneten Informationen Ausreißer Ja/Nein, Alarm für Drift nach oben/unten, beziehungsweise keine signifikante Drift können entweder direkt am Bildschirm oder akustisch über vereinbarte Tonsequenzen ausgegeben werden, oder aber am Eingang in ein intelligentes Alarmsystem.
Die Erfindung wurde zuvor anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Für einen Fachmann ist es jedoch offensichtlich, daß verschiedene Abwandlungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne von dem der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken abzuweichen. Insbesondere sei bemerkt, daß in der vorliegenden Beschreibung unter dem Ausdruck "Lageparameter" insbesondere ein Mittelwert, Mediän, o.a. und unter dem Ausdruck "Streuparameter" eine Standardabweichung, Quantil, o.a. verstanden wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erkennung eines Alarmzustands von über Meßwerterfassungsmittel empfangenen Meßsignalwerten, wobei ein Alarmzustand ausgelöst wird, wenn für einen aktuell empfangenen Meßsignalwert wenigstens ein vorgegebener Grenzwert überschritten wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt für zeitlich aufeinanderfolgende Meßsignalwerte in einem einstellbaren Zeitfenster deren Lageparameter (2) und ein entsprechender Streuparameter (3) dieser Meß- signalwerte von dem Lageparameter berechnet wird, daß in einem zweiten Schritt jeder weitere nachfolgende Meßsignalwert zur Gewinnung einer jeweiligen Bewertungsgröße mit dem Lageparameter (2) verglichen und mit dem Streuparameter (3) gewichtet wird, und daß in einem dritten Schritt bei einer einen einstellbaren Ausreißerparameter überschreitenden Bewertungsgröße ein Ausreißerzustand (6) detektiert wird, während bei einer einen einstellbaren Alarm parameter überschreitenden Bewertungsgröße ein das Vorliegen eines signifikanten Drifts oder Sprungs der Meßsignalwerte indizierender Alarmzustand (8) detektiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungsgröße durch Differenzbildung zwischen dem Meßsignalwert und dem berechneten Lageparameter (2) mit anschließender Normierung der Differenz ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wichtung der Bewertungsgröße durch eine Divisionsbildung aus der normierten Differenz zwischen dem Meßsignalwert und dem Lageparameter (2) mit dem berechneten Streuparameter (3) vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Ausreißerzustand (6) detektiert wird, wenn die mit dem berechneten Streuparameter (3) gewichtete normierte Differenz zwischen Meßsignalwert und Lageparameter (2) den eingestellten Ausreißerparameter übersteigt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alarmzustand (8) detektiert wird, wenn die mit dem berechneten
Streuparameter (3) gewichtete normierte Differenz zwischen Meßsignalwert und Lageparameter (2) den eingestellten Alarmparameter übersteigt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten eines Ausreißerzustands (6) der entsprechende Meßsignalwert durch einen Ersatzwert ersetzt wird und der nächstfolgende Meßsignalwert bearbeitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ersatzwert der aktuelle Lageparameter (2) ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten eines Ausreißerzustands (6) der entspre- chende Meßsignalwert für die weitere Berechnung ausgelassen wird und der nächstfolgende Meßsignalwert bearbeitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lageparameter der aufeinanderfolgenden Meßsignal- werte aus der Summation der einzelnen Meßsignalwerte gebildet wird, wobei die Anzahl der Summationsschritte durch die Breite des Zeitfensters bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn- zeichnet, daß als Streuparameter (3) die Standardabweichung zugrundegelegt wird, wobei die Anzahl der Summationsschritte durch die Breite des Zeitfensters bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn- zeichnet, daß mittels einer Zeitverzögerung eine variable Positionierung des Zeitfensters vorgenommen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Ausreißerparameter auf einen höheren Wert als der Alarmparameter gesetzt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Breite des Zeitfensters vorzugsweise auf zehn zeitlich aufeinanderfolgende Meßsignalwerte festgelegt wird und der Ausreißerparameter auf sechs und der Alarmparameter auf drei festgelegt wird.
14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, mit einer Meßwerterfassungseinrichtung zum Empfang von Meßwertsignalen und einer Meßwertübertra- gungseinrichtung zur Wandlung und Verarbeitung der empfangenen
Meßwertsignale sowie einer bei Überschreiten wenigstens eines Grenzwerts auslösbaren Alarmeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Meßsignalwerte in einem nach Breite und Zeitverzögerung einstellbaren Zeitfenster eine Spei- chereinrichtung vorgesehen ist, daß für zeitlich aufeinanderfolgende Meßsignalwerte in dem einstellbaren Zeitfenster Berechnungsmittel zur Berechnung der Lageparameter (2) und der entsprechenden Streuungen (3) vorgesehen sind, und daß für die Gewinnung einer Bewertungsgröße eine Prozessoreinrichtung vorgesehen ist, die bei einer einen einstellbaren Alarmparameter überschreitenden Bewertungsgröße die Alarmeinrichtung betätigt.
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