DE10246404B4

DE10246404B4 - Verfahren und System zur Messung von T-Wellen-Alternationen

Info

Publication number: DE10246404B4
Application number: DE10246404.9A
Authority: DE
Inventors: Willi Kaiser; Martin Findeis
Original assignee: GE Medical Systems Information Technologies Inc
Current assignee: GE Medical Systems Information Technologies Inc
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2022-10-05
Also published as: DE10246404A1; US20030069512A1; JP2003175008A; JP4262955B2; US6668189B2

Abstract

Verfahren zur Messung von T-Wellen-Alternationen mit: Bestimmen einer ungeraden EKG-Daten-Folge mit Daten über zwei oder mehrere ungerade Schläge; Bestimmen einer geraden EKG-Daten-Folge mit Daten über zwei oder mehrere gerade Schläge; Bestimmen eines ungeraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplexes (130) aus der ungeraden EKG-Daten-Folge und eines geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplexes (140) aus der geraden EKG-Daten-Folge, wobei der ungerade in der Mitte befindliche Schlagkomplex (130) als eine gewichtete Funktion der ungeraden EKG-Daten-Folge bestimmt wird, und der gerade in der Mitte befindliche Schlagkomplex (140) als die gewichtete Funktion der geraden EKG-Daten-Folge bestimmt wird; Berechnen eines kubischen Ziel-Spline (405) beruhend auf drei Amplituden-Bezugspunkten, wobei die drei Amplituden-Bezugspunkte auftreten zu einer Zeit T1 vor einer P-Welle, einer Zeit T2 vor einer QRS-Welle und einer Zeit T3 nach einer T-Welle, mit T1 < T2 < T3, und wobei die drei zu T1, T2 und T3 auftretenden Amplituden-Bezugspunkte sich jeweils exakt zwischen drei Amplituden-Bezugspunkten ungerader Schläge in dem zu T1, T2 und T3 auftretenden in der Mitte befindlichen ungeraden Schlagkomplex und drei Amplituden-Bezugspunkten gerader Schläge in dem zu T1, T2 und T3 auftretenden geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplex befinden; Berechnen (410) eines kubischen Spline des ungeraden in der Mitte befindlichen Schlags beruhend auf den drei Amplituden-Bezugspunkten ungerader Schläge in dem ungeraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplex; Berechnen (425) eines kubischen Spline des geraden in der Mitte befindlichen Schlags beruhend auf den drei Amplituden-Bezugspunkten gerader Schläge in dem geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplex; Berechnen einer ungeraden Differenz (415) zwischen dem kubischen Spline des ungeraden in der Mitte befindlichen Schlags und dem kubischen Ziel-Spline; Berechnen einer geraden Differenz (430) zwischen dem kubischen Spline des geraden in der Mitte befindlichen Schlags und dem kubischen Ziel-Spline; ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Kardiologie und insbesondere auf ein Verfahren und System zur Verarbeitung eines Elektrokardiogrammsignals zur Erfassung von T-Wellen-Alternationen durch eine Ausrichtung von alternierenden Schlägen zu einem kubischen Spline. Eine genauere Erfassung und Quantifizierung von Alternationen in dem ST-Segment und der T-Welle des Signals ist daraufhin bei den ausgerichteten Schlägen möglich.
Auf dem Gebiet der Elektrokardiographie sind elektrische Alternationen die Differenzen des elektrischen Potentials bei entsprechenden Punkten zwischen alternierenden Herzschlägen. Die T-Wellen-Alternation oder der T-Wellen-Wechsel ist eine regelmäßige Schlag-zu-Schlag-Variation des ST-Segments oder der T-Welle eines EKG, die sich selbst alle zwei Schläge wiederholt, und ist mit einer zugrundeliegenden Herzlabilität in Verbindung gebracht worden. Die ungeraden und geraden Herzschläge eines Patienten können daher unterschiedliche elektrische Eigenschaften von diagnostischer Signifikanz zeigen, die durch ein Elektrokardiogramm (EKG) erfaßt werden können.
Das Vorhandensein dieser elektrischen Alternationen ist signifikant, da Patienten mit einem erhöhten Risiko für ventrikuläre Arrhythmien im allgemeinen Alternationen bei dem ST-Segment und der T-Welle ihres EGK zeigen. Kliniker können daher diese elektrischen Alternationen als eine nichtinvasive Markierung einer Verwundbarkeit gegenüber ventrikulären Tacharrhythmien verwenden. Der Ausdruck T-Wellen-Alternationen (TWA) wird zur allgemeinen Bezeichnung dieser elektrischen Alternationen verwendet. Es ist selbstverständlich, daß der Ausdruck sowohl die Alternationen des T-Wellen-Segments als auch des ST-Segments eines EKG umfaßt.
Es kann jedoch sowohl schwierig sein, TWA zu erfassen, als auch schwierig sein, die Größe von TWA zu quantifizieren, da die Größe der Phänomene typischerweise weniger als 100 Mikrovolt beträgt. Differenzen dieser Größe zwischen EKG-Signalen sind schwer von einem Grundlinienwandern, einem weißen Rauschen oder von anderen Artefakten wie beispielsweise einer Patientenbewegung oder anderen Unregelmäßigkeiten bei dem Herzschlag zu unterscheiden.
Das derzeitige Verfahren zur Erfassung von TWA umfaßt ein Empfangen eines EKG-Signals und ein Berechnen sowohl eines ungeraden als auch eines geraden Mediankomplexes bzw. in der Mitte befindlichen Komplexes aus diesen Daten unter Verwendung der jeweiligen Daten des eingehenden ungeraden und geraden Signals. Der ungerade in der Mitte befindliche Komplex wird daraufhin mit dem geraden in der Mitte befindlichen Komplex verglichen, um eine Schätzung der Amplitude des Schlag-zu-Schlag-Wechsels bei den EKG-Daten zu erhalten. Die zwischen dem Ende des QRS-Komplexes und dem Ende der T-Welle beobachtete maximale Amplitude des Wechsels ist als der T-Wellen-Alternations-Wert definiert. Es ist eine TWA vorhanden, falls dieser Wert größer als ein durch einen Kliniker bestimmter Schwellenwert ist.
Bei dem Stand der Technik wurde das Grundlinienwandern durch eine Berechnung eines kubischen Spline auf der Grundlage von zwischen der P-Welle und dem QRS-Komplex von drei aufeinanderfolgenden QRS-Komplexen gemessenen Punkten entfernt. Die durch diese Spline-Kurve erzeugten Werte wurden daraufhin von den entsprechenden Werten der eingehenden Schlagdaten subtrahiert. Da Punkte in dem dem QRS-Komplex vorausgehenden isoelektrischen Bereich zur Berechnung des kubischen Spline verwendet werden, korrigiert dieses Verfahren ein Grundlinienwandern zwischen dem Ende des QRS-Komplexes und dem Ende der T-Welle nicht richtig.
Zur besseren Korrektur des Grundlinienwanderns wäre es vorzuziehen, einen zusätzlichen Punkt nach der T-Welle bei der Berechnung der Korrektur mit dem kubischen Spline zu verwenden. Die Amplituden der isoelektrischen Bereiche vor dem QRS-Komplex und zwischen der T- und P-Welle unterscheiden sich jedoch. Der isoelektrische Bereich vor dem QRS-Komplex wird durch die atriale Repolarisation beeinflußt. Andere Gründe für unterschiedliche Amplituden in beiden ”isoelektrischen Bereichen” können ein kurzes PR-Intervall oder ein Mischen von P- und T-Wellen sein. Eine Anwendung des Korrekturalgorithmus mit dem kubischen Spline auf Punkte vor dem QRS-Komplex und auch auf Punkte nach der T-Welle veranlaßt den Algorithmus zur Erzeugung eines künstlichen Grundlinienwanderns und daher zur Erzeugung unrichtiger T-Wellen-Alternations-Werte. Folglich wird eine wirksamere Einrichtung zur Ausrichtung von ungeraden und geraden Herzschlägen zum Erhalten genauerer TWA-Werte benötigt.
Die US 6 169 919 B1 offenbart ein System und ein Verfahren zur Quantifizierung einer Alternation im T-Wellen- und ST-Segment eines EKG-Signals, das ein digitalisiertes EKG-Signal zur Verarbeitung empfängt. Die EKG-Daten werden zur Berechnung eines ungeraden Median-Komplexes für die ungeraden Herzschläge in den empfangenen EKG-Daten und eines geraden Median-Komplexes für die geraden Herzschläge in den empfangenen EKG-Daten verwendet. Vor der Berechnung der geraden und ungeraden Median-Komplexe werden die EKG-Daten gefiltert.
Die Erfindung bietet eine Technik zur Erfassung von T-Wellen-Alternationen durch eine Ausrichtung von Daten alternierender Herzschläge, d. h. ungerader und gerader Schläge. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein digitalisiertes EKG-Signal zur Verarbeitung empfangen. Die EKG-Daten werden zur Berechnung eines ungeraden und geraden in der Mitte befindlichen Schlags und eines kubischen Ziel-Spline verwendet, der daraufhin zur Ausrichtung eines ungeraden und eines geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplexes verwendet wird. Der ungerade in der Mitte befindliche Komplex wird daraufhin mit dem geraden in der Mitte befindlichen Komplex verglichen, um eine Schätzung der Amplitude des Schlag-zu-Schlag-Wechsels bei dem EKG-Signal zu erhalten.
Der Schritt des Berechnens eines in der Mitte befindlichen Komplexes kann wie folgt vor sich gehen. Eine (den ungeraden in der Mitte befindlichen Komplex darstellende) erste regelmäßige Anordnung wird mit dem Mittelwert einer Vielzahl von ungeraden komplexen Werten initialisiert. Eine (den geraden in der Mitte befindlichen Komplex darstellende) zweite regelmäßige Anordnung wird mit dem Mittelwert einer Vielzahl von geraden komplexen Werten initialisiert. Die Abtastwerte eines neuen ungeraden Schlags der EKG-Daten werden mit entsprechenden Werten in der ersten regelmäßigen Anordnung verglichen, und auf der Grundlage des Vergleichs werden die Werte der ersten regelmäßigen Anordnung eingestellt wie folgt. Wenn ein Abtastwert des ungeraden Schlags den entsprechenden Wert der ersten regelmäßigen Anordnung um einen festen Betrag übersteigt, dann wird der entsprechende Wert um den festen Betrag erhöht. In dem anderen Fall wird der entsprechende Wert um 1/32 der Differenz zwischen dem Abtastwert des ungeraden Schlags und dem entsprechenden Wert der ersten regelmäßigen Anordnung erhöht. Dieser Prozeß wird für andere ungerade Schläge wiederholt, die in der Berechnung enthalten sein sollen. Diesem gleichen Prozeß wird daraufhin für die zweite regelmäßige Anordnung unter Verwendung der geraden Schläge gefolgt.
Sobald die ungeraden und geraden in der Mitte befindlichen Komplexe berechnet worden sind, werden sie daraufhin ausgerichtet. Diese Ausrichtung wird erreicht, indem ein kubischer Ziel-Spline, ein kubischer Spline des ungeraden in der Mitte befindlichen Komplexes und ein kubischer Spline des geraden in der Mitte befindlichen Komplexes berechnet werden. Daraufhin werden die Differenzen zwischen dem kubischen Ziel-Spline und sowohl dem kubischen Spline des ungeraden in der Mitte befindlichen Komplexes als auch dem kubischen Spline des geraden in der Mitte befindlichen Komplexes berechnet. Diese Differenzen werden daraufhin jeweils von den Daten des ungeraden und geraden in der Mitte befindlichen Schlags subtrahiert, um sie zu korrigieren (auszurichten).
Die Wirkung dieses Ausrichtungsschritts besteht darin, jedes Restgrundlinienwandern zwischen den Daten des ungeraden und geraden Schlags zu minimieren. Genauere Vergleiche der Daten des ungeraden und geraden Schlags können daraufhin ausgebildet werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Berechnung einer aus Daten des ungeraden und geraden Schlags abgeleiteten und zur Ausrichtung von ungeraden und geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplexen verwendbaren Bezugsfunktion (ein kubischer Ziel-Spline) bereitgestellt.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Verarbeitung von EKG-Signalen für alternierende Herzschläge und zur Ausrichtung dieser alternierenden Herzschläge unter Verwendung von kubischen Splines bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Erfassung und Quantifizierung von Differenzen wie beispielsweise Alternationen zwischen den alternierenden EKG-Signalen.
Erfindungsgemäß wird ein System zur Verarbeitung von EKG-Signalen für alternierende Herzschläge bereitgestellt, wobei die EKG-Signale zur Ableitung einer Bezugsfunktion durch Verarbeitungsschaltungen analysiert werden, die alternierenden EKG-Signale durch die Verarbeitungsschaltungen ausgerichtet werden und die ausgerichteten EKG-Signale durch Speicherschaltungen gespeichert oder durch Anzeigeschaltungen angezeigt werden. Darüber hinaus umfasst das System Analyseschaltungen, die zur Verarbeitung der ausgerichteten EKG-Signale in der Lage sind, um das Vorhandensein und die Größe von Variationen zwischen den alternierenden Signalen wie beispielsweise T-Wellen-Alternationen zu bestimmen.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen gleiche Nummern gleiche Elemente angeben, ausführlich beschrieben.
Die vorstehenden und andere Vorteile der Erfindung sind bei einem Lesen der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und bei einer Bezugnahme auf die Zeichnungen ersichtlich, in denen:
1 eine typische Anwendung eines sich einer Elektrokardiogrammprozedur unterziehenden Patienten und die Komponenten eines idealisierten Elektrokardiogrammsystems in Bezug dazu veranschaulicht;
2 ein funktionelles Blockschaltbild eines ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellenden Systems zeigt;
3 ein Blockschaltbild eines Verfahrens zur Sammlung und Analyse von alternierenden EKG-Signalen zeigt, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ein Flußdiagramm zeigt, das die bei der Sammlung, Analyse und Ausrichtung von alternierenden EKG-Datensignalen durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unternommenen Schritte veranschaulicht;
5 einen einen ungeraden und geraden Herzschlag überlagernden EKG-Plot zeigt, der durch das Verfahren gemäß dem Stand der Technik einer Filterung zur Entfernung des Grundlinienwanderns unterzogen worden ist; und
6 einen einen ungeraden und geraden Herzschlag überlagernden EKG-Plot zeigt, der durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einer Ausrichtung unterzogen worden ist.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend ausführlich erörtert. Während spezifische Konfigurationen und Aufbauten erörtert sind, ist es selbstverständlich, daß dies nur zu Veranschaulichungszwecken getan ist. Der Fachmann erkennt es, daß andere Konfigurationen und Aufbauten verwendet werden können, ohne von dem Rahmen des Inhalts und Schutzbereichs der Erfindung abzuweichen.
Bei der Erfindung wird eine Bezugsfunktion berechnet und daraufhin auf Daten alternierender Herzschläge angewendet, um die ungeraden und geraden Herzschläge in eine Ausrichtung zu bringen. Die ausgerichteten Herzschläge sind daraufhin einer vergleichenden Analyse zur Erfassung und Quantifizierung von Differenzen zwischen den alternierenden Herzschlägen zugänglich. Erfindungsgemäß werden der kubische Ziel-Spline, der ungerade in der Mitte befindliche kubische Spline und der gerade in der Mitte befindliche kubische Spline auf die gleiche Art und Weise berechnet, wobei für jeden von ihnen die nachstehenden Buchstabendarstellungen verwendet werden:
T stellt eine Bezugszeit dar;
t stellt eine variable Zeit dar;
y stellt eine Amplitude in einem EKG-Zyklus dar, die bei einer Zeit t gemessen wird;
s(t) ist die Amplitude in einem Spline-Segment zu der Zeit t, die mit einer Spline-Funktion berechnet wird.
Ein EKG-Zyklus besteht aus Abtastwerten. In einem Zyklus ist y die Amplitude eines EKG-Abtastwerts zu dem Zeitpunkt t. Ähnlich ist y1 die Amplitude eines EKG-Zyklus, wenn t = T1.
Anfänglich werden drei Bezugspunkte (T1, y1), (T2, Y2), (T3, y3) derart bestimmt, daß T1 < T2 < T3. Der Punkt (T1, y1) ist der Punkt vor der P-Welle zu der Zeit T1. Der Punkt (T2, y2) ist der Punkt vor dem QRS-Komplex zu der Zeit T2. Der Punkt (T3, y3) ist der Punkt nach der T-Welle zu der Zeit T3. Diese drei Punkte werden zur Berechnung von zwei die zwei durch T1, T2 und T3 definierten Bereiche überspannenden Splines verwendet. Der Spline s1(t) befindet sich zwischen t = T1 und t = T2. Der Spline s2(t) befindet sich zwischen t = T2 und t = T3.
Die nachstehenden Gleichungen demonstrieren die Berechnung der zwei Splines: s₁(t) = a₁t³ + b₁t² + c₁t + d₁ (1) s₂(t) = a₂t³ + b₂t² + c₂t + d₂. (2)
Die Koeffizienten a1, a2, b1, b2, c1, c2, d1 und d2 werden unter Verwendung der nachstehenden Ableitungen der zwei Spline-Gleichungen berechnet: s₁'(t) = 3a₁t² + 2b₁t + c₁ ⇒ s₁'(0) = c₁ (3) s₁''(t) = 6a₁t + 2b₁ ⇒ s₁''(0) = 2b₁ (4) s₁'''(t) = 6a₁ ⇒ s₁'''(0) = 6a₁ (5) s₂'(t) = 3a₂t² + 2b₂t + c₂ ⇒ s₂'(0) = c₂ (6) s₂''(t) = 6a₂t + 2b₂ ⇒ s₂''(0) = 2b₂ (7) s₂'''(t) = 6a₂ ⇒ s₂'''(0) = 6a₂. (8)
Zur Erzeugung eines glatten Übergangs zwischen den zwei Splines werden die nachstehenden Bedingungen festgesetzt: s₁(T₂) = s₂(T₂) (9) s₁'(T₂) = s₂'(T₂), und (10) s₁''(T₂) = s₂''(T₂). (11)
Zur Vereinfachung dieses Übergangs wird (T₂, y₂) auf (0, 0) eingestellt, und: s₁(0) = s₂(0) = 0 (12) s₁'(0) = s₂'(0) (12) s₁''(0) = s₂''(0). (14)
Der erste Spline beginnt mit: s₁''(T₁) = 0. (15)
Der zweite Spline endet mit: s₂''(T₃) = 0. (16)
Mit den Bedingungen (12) bis (16) am Platze werden die Koeffizienten a₁, a₂, b₁, b₂, c₁, c₂, d₁ und d₂ berechnet und in die Gleichungen (1) und (2) eingesetzt. Die Werte von s₁(t) werden daraufhin mit den Werten von t zwischen T₁ und T₂ berechnet, und die Werte von s₂(t) werden daraufhin mit den Werten von t zwischen T₂ und T₃ berechnet.
Bei einem typischen Ausführungsbeispiel würden die vorstehend angeführten Gleichungen durch eine Verarbeitungsschaltung oder mehrere Verarbeitungsschaltungen realisiert und gelöst werden, die entweder den Funktionen ausschließlich zugeordnet sind oder über maschinell lesbaren Code wie beispielsweise Software programmierbar sind, um die Funktionen als Teil eines programmierbaren EKG-Systems auszuführen.
Zuerst wird auf 5 Bezug genommen, um die Einführung von EKG-bezogener Terminologie zu ermöglichen. In 5 sind ein ungerader und ein gerader Herzschlag gezeigt, die einen EKG-Plot überlagern. 5 stellt überlagerte ungerade und gerade Herzschläge dar, nachdem sie einer Ausrichtung durch das Verfahren gemäß dem Stand der Technik unterzogen worden sind. Es ist eine P-Wellen-Ablenkung 500 dargestellt, die durch die Depolarisation der Herzvorhöfe verursacht ist. Es ist ein QRS-Komplex 510 dargestellt, der durch die Depolarisation der Ventrikel bzw. Herzkammern verursacht ist und der aus einer isoelektrischen Linie 512, einer R-Wellen-Ablenkung 514 und einer S-Wellen-Ablenkung 516 besteht. Eine T-Wellen-Ablenkung 520 ist ebenfalls dargestellt und ist durch die Repolarisation der Herzkammern verursacht. Ein ST-Segment 522 ist durch den Bereich zwischen dem Ende der S-Welle 516 und dem Anfang der T-Welle 520 definiert. Da die vorliegende Technik mit Alternationen bei dem ST-Segment 522 sowie der T-Welle 520 befaßt ist, umfaßt der Ausdruck ”T-Wellen-Alternationen” in dieser Offenbarung sowohl die T-Welle 520 als auch das ST-Segment 522. In 5 sind auch drei Bezugszeiten T₁(532), T₂(534) und T₃(536) dargestellt, die vorstehend mit Bezug auf die Algorithmusgleichungen erörtert sind und die auch bei 4 mit Bezug auf den Schritt der kubischen Ausrichtung der vorliegenden Technik erörtert sind.
Nachstehend auf ein typisches Ausführungsbeispiel Bezug nehmend, wie es in 1 veranschaulicht ist, wird eine EKG-Daten-Folge von einem Patienten 10 über eine Zeitdauer gesammelt. Die EKG-Daten-Folge wird auf eine in dem Fachgebiet übliche und dem Fachmann bekannte Art und Weise gesammelt. Insbesondere ist ein EKG-System 20 durch Leitungen 22 und Kontaktpolster 21 mit dem Patienten 10 verbunden. Der Patient 10 kann entweder in Holter-Systemen, Ruhe-EKG-Systemen, elektrophysikalischen Testsystemen oder Belastungstestsystemen oder in anderen in dem Fachgebiet bekannten Arten von Systemen überwacht werden. Das EKG-System 20 besteht aus einer mit den Leitungen 22 verbundenen Signalempfangsvorrichtung 24, die nachstehend beschriebenen TWA-Berechnungsfunktionen und Ausrichtungsfunktionen ausführenden Verarbeitungsschaltungen 26, Signale über eine Ausgabeschnittstelle 30 zu einer Ausgabevorrichtung wie beispielsweise einem Drucker 32 oder einer Anzeigeeinheit 34 übertragenden Anzeigeschaltungen 28, und Speicherschaltungen 36, auf die durch die Signalempfangsvorrichtung 24, die Verarbeitungsschaltungen 26 oder die Anzeigeschaltungen 28 zugegriffen werden kann. Die das EKG-System 20 bildenden Schaltungen können in einem Computersystem oder mehreren Computersystemen oder anderen Verarbeitungssystemen realisiert sein und können unter Verwendung von Hardware, Software oder einer Kombination davon realisiert sein. Die das EKG-System 20 bildenden Schaltungen sind idealerweise entlang einer Kommunikationsinfrastruktur 38 verbunden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Technik über ein Konfigurationscode für das EKG-System 20 umfassendes und in einem maschinell lesbaren Code geschriebenes Programm realisiert, auf das durch das System von einem maschinell lesbaren Träger wie beispielsweise einer magnetischen oder optischen Platte oder über eine konfigurierbare Netzverbindung zugegriffen werden kann. Zusätzlich kann auf Komponenten des Programms oder die EKG-Daten-Folge bei Bedarf von einem zweiten maschinell lesbaren Träger zugegriffen werden.
Die 2 stellt ein funktionelles Blockschaltbild der Komponenten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des EKG-Systems 20 und ihrer Wechselbeziehungen dar. Eine Bedienungsperson 50 interagiert mittels eines Benutzerschnittstellenmoduls 55 mit dem EKG-System 20. Das Benutzerschnittstellenmodul 55 ist mit einem Überwachungsmodul 60 verbunden, das aus der Signalempfangsvorrichtung 24 und den Leitungen 22 besteht. Das Überwachungsmodul 60 und das Benutzerschnittstellenmodul 55 sind dann wieder mit einem Verarbeitungsmodul 65 verbunden, das aus zumindest den Verarbeitungsschaltungen 26 besteht. Das Verarbeitungsmodul 65 und das Benutzerschnittstellenmodul 55 sind dann wieder mit einem Ausgabemodul 70 verbunden, das aus zumindest den Anzeigeschaltungen 28 besteht und ferner möglicherweise eine Ausgabeschnittstelle 30 zu einer Vorrichtung wie beispielsweise einem Drucker 32 oder einer Anzeigeeinheit 34 umfaßt.
Das EKG-System besteht ferner aus einem Speichermodul 75, das zumindest die Speicherschaltungen 36 umfaßt. Das Speichermodul 75 kann derartige Komponenten wie Standard-RAM-Speicher, magnetische Speicherträger wie beispielsweise ein Festplattenlaufwerk oder optische Speicherträger wie beispielsweise optische Platten umfassen. Das Überwachungsmodul 60 kann derart mit dem Speichermodul 75 verbunden sein, daß Signaldaten zur vorübergehenden oder langfristigen Speicherung von dem Überwachungsmodul 60 zu dem Speichermodul 75 geleitet werden können. Das Verarbeitungsmodul 65 kann ebenfalls derart mit dem Speichermodul 75 verbunden sein, daß EKG-Signaldaten zu oder von dem Verarbeitungsmodul 65 zu dem Speichermodul 75 geleitet werden. Schließlich kann das Ausgabemodul 70 derart mit dem Speichermodul 75 verbunden sein, daß Daten von dem Speichermodul 75 zu dem Ausgabemodul 70 geleitet werden können. Das Benutzerschnittstellenmodul 55 kann ebenfalls mit dem Speichermodul 75 verbunden sein, interagiert jedoch bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel statt dessen über die anderen Module wie beispielsweise das Verarbeitungsmodul 65 oder das Überwachungsmodul 60 mit dem Speichermodul 75.
Nachstehend auf 3 Bezug nehmend sind die im allgemeinen durch die Verarbeitungsschaltungen 26 ausgeführten Funktionen als ein Blockschaltbild angezeigt und durch ein Bezugszeichen 90 allgemein bezeichnet. EKG-Daten werden entweder von der Signalempfangsvorrichtung 24, von einer externen Datenquelle (z. B. Internet) oder von den Speicherschaltungen 36 in den Verarbeitungsschaltungen empfangen. Die verarbeitete Ausgabe, entweder ein TWA-Wert, ein ausgerichtetes EKG-Signal oder beides, werden dann wieder zu den Anzeigeschaltungen 28 oder zu den Speicherschaltungen 36 gesendet.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel umfaßt einen ersten und einen zweiten in der Mitte befindlichen Schlagkomplex. Idealerweise umfassen diese zwei in der Mitte befindlichen Schlagdarstellungen getrennt und ausschließlich die Daten des ungeraden und des geraden Schlags. Wie er dabei verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck ”in der Mitte befindlicher Komplex” auf eine in der Mitte befindliche Darstellung eines Schlags oder mehrerer Schläge der EKG-Daten. Während der in der Mitte befindliche Komplex nur einen einzelnen Schlag darstellen kann, wird es vorgezogen, daß eine größere Anzahl von Schlägen zu den in der Mitte befindlichen Werten des Komplexes beiträgt. Der sich ergebende sich in der Mitte befindliche Komplex stellt einen Durchschnitt der Abtastwerte der Schläge (ungerade oder gerade) dar, die zu ihm beitragen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der in der Mitte befindliche Komplex jedoch kein echter Durchschnitt, da die Durchschnittsbildung derart betrieben wird, daß die Wirkung begrenzt ist, die irgendein Schlag auf den in der Mitte befindlichen Komplex haben kann. Statt dessen wird eine gewichtete Funktion oder ein gewichteter Durchschnitt zur Bestimmung des in der Mitte befindlichen Komplexes verwendet. Diese gewichtete Funktion erhöht den in der Mitte befindlichen Komplex abhängig von der Differenz zwischen dem beitragenden Schlag und dem in der Mitte befindlichen Komplex um ein festes Inkrement oder 1/32 der Differenz zwischen der Amplitude des Abtastschlags und des in der Mitte befindlichen Komplexes.
Die EKG-Daten werden zur Berechnung des ungeraden in der Mitte befindlichen Komplexes und des geraden in der Mitte befindlichen Komplexes in Schritten 130 und 140 verwendet. In dem Schritt 130 wird eine erste regelmäßige Anordnung mit dem Mittelwert einer Vielzahl von ungeraden Komplex-Werten initialisiert. Beispielsweise können die Abtastwerte des ersten Schlags der EKG-Daten als die Anfangswerte des ungeraden in der Mitte befindlichen Komplexes verwendet werden. Falls ein vorhergehendes EKG-Segment verarbeitet worden ist, können alternativ die sich aus der Berechnung ergebenden ungeraden in der Mitte befindlichen Werte als die anfänglichen ungeraden in der Mitte befindlichen Werte verwendet werden. Die ungeraden Schläge der EKG-Daten werden Abtastwert für Abtastwert mit dem ungeraden in der Mitte befindlichen Komplex verglichen. Jeder ungerade Schlag (d. h. die Schläge 1, 3, 5, 7, 9 usw.) wird auf der Grundlage der ersten Steigung des QRS-Komplexes identifiziert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Schlag als die zwischen einem Punkt 450 ms vor der ersten Steigung des QRS-Komplexes und einem Punkt 550 ms nach der Steigung des QRS-Komplexes für insgesamt 1,0 Sekunden von EKG-Daten auftretenden EKG-Daten identifiziert. Bei einer Abtastrate von 500 Hz stellt dies 500 Abtastwerte pro Schlag bereit. Somit werden dann, wenn der erste Schlag zur Initialisierung des ungeraden in der Mitte befindlichen Komplexes verwendet wird, 500 den dritten Schlag (d. h. den nächsten ungeraden Schlag) darstellende Abtastwerte mit den entsprechenden 500 Abtastwerten in dem ungeraden in der Mitte befindlichen Komplex verglichen.
Für jeden Abtastwert eines ungeraden Schlags, der mit einem entsprechendem Abtastwert in dem ungeraden in der Mitte befindlichen Komplex verglichen wird, wird das Ergebnis des Vergleichs getestet. Wenn der Abtastwert des derzeitigen Schlags den entsprechenden Wert des in der Mitte befindlichen Komplexes um einen vorbestimmten Betrag übersteigt, dann wird der entsprechende Wert des in der Mitte befindlichen Komplexes um den vorbestimmten Betrag erhöht. Wenn der Abtastwert des derzeitigen ungeraden Schlags den entsprechenden Wert des ungeraden in der Mitte befindlichen Komplexes nicht um den vorbestimmten Betrag übersteigt, dann wird der entsprechende Wert in dem ungeraden in der Mitte befindlichen Komplex um 1/32 der Differenz zwischen dem Abtastwert des derzeitigen ungeraden Schlags und dem entsprechendem Wert des ungeraden in der Mitte befindlichen Komplexes erhöht.
Diese Schritte werden für jeden Abtastwert jedes ungeraden Schlags wiederholt, bis die gewünschte Anzahl von ungeraden Schlägen (d. h. zumindest einer) verarbeitet ist. Der sich ergebende ungerade in der Mitte befindliche Komplex stellt einen Durchschnitt der Abtastwert der ungeraden Schläge dar. Dem gleichen Prozeß wird daraufhin für die zweite regelmäßige Anordnung unter Verwendung der geraden Schläge gefolgt.
Sobald der ungerade und der gerade in der Mitte befindliche Komplex berechnet sind, werden sie durch einen Schritt 150 der kubischen Ausrichtung ausgerichtet. Der Schritt 150 der kubischen Ausrichtung ist in 4 genauer dargestellt.
Nachstehend auf 4 Bezug nehmend ist ein Flußdiagramm der Realisierung des Schritts 150 der kubischen Ausrichtung dargestellt. Der Schritt 150 der kubischen Ausrichtung wird durch eine Bezugsfunktion ausgeführt, die sowohl den geraden als auch den ungeraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplex ausrichtet. Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Bezugsfunktion um einen kubischen Ziel-Spline. Dieser kubische Ziel-Spline wird auf der Grundlage von drei Bezugspunkten berechnet, die sich genau zwischen dem ungeraden und geraden in der Mitte befindlichen Schlag vor der P-Welle 500 bei T1 (532) mit y1 = (y1(ungerade) + y1(gerade))/2, vor dem QRS-Komplex 510 bei T2 (534) mit y2 = (y2(ungerade) + y2(gerade))/2 und nach der T-Welle 520 bei T3 (536) mit y3 = (y3(ungerade) + y3(gerade))/2 befinden. Diese drei Bezugszeiten definieren für jeden verarbeiteten Schlag zwei getrennte Spannen oder Bereiche und definieren ein gemeinsames Intervall entlang den in der Mitte befindlichen Komplexen, die ausgerichtet und verglichen werden können. Die Auswahl dieser drei Punkte ist als ein Schritt 400 der Punktauswahl schematisch dargestellt.
Nach dem Schritt 400 der Punktauswahl wird ein Schritt 405 der Berechnung des kubischen Ziel-Spline (TCS) ausgeführt. Die TCS-Berechnung besteht aus den Gleichungen (1) und (2) und wird unter Verwendung der Gleichungen (3) bis (16) auf der Grundlage der Punkte (T1, y1), (T2, y2) und (T3, y3) gelöst.
Nach der Berechnung des TCS werden ein Schritt 408 der ungeraden Punktauswahl und ein Schritt 410 der Berechnung des kubischen Spline des ungeraden in der Mitte befindlichen Schlags ausgeführt. Der Schritt 408 der ungeraden Punktauswahl entspricht dem Schritt 400 der Punkauswahl. Drei Punkte auf dem ungeraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplex werden ausgewählt, die sich vor der P-Welle 500 bei T1 (532), vor dem QRS-Komplex 510 bei T2 (534) und nach der T-Welle 520 bei T3 (536) befinden. Die Berechnung eines kubischen Spline des ungeraden in der Mitte befindlichen Schlags wird daraufhin auf ähnliche Weise wie die Berechnung des TCS ausgeführt, ausgenommen, daß die T1 entsprechende Amplitude y1 der Daten des ungeraden in der Mitte befindlichen Schlags verwendet wird, so daß zu der Zeit T1 (532) y1 gleich y1(ungerade) ist. Die Punkte y2 und y3 werden auf ähnliche Weise abgeleitet.
Der Algorithmus berechnet als nächstes in einem Schritt 415 der Berechnung der ungeraden Differenz die Differenz zwischen dem kubischen Spline des ungeraden in der Mitte befindlichen Schlags und dem kubischen Ziel-Spline. Diese Differenz wird daraufhin in einem Schritt 420 der ungeraden Ausrichtung von dem ungeraden in der Mitte befindlichen Schlag subtrahiert. Diese Subtraktion (Ausrichtung) wird mit jedem Abtastwert des ungeraden in der Mitte befindlichen Schlags ausgeführt, so daß jeder ungerade Abtastwert korrigiert wird. Das Ergebnis besteht in einem ausgerichteten ungeraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplex.
Ähnlich werden ein Schritt 422 der geraden Punktauswahl und ein Schritt 425 der Berechnung des kubischen Spline des geraden in der Mitte befindlichen Schlags derart ausgeführt, daß zu der Zeit T1 (532) des geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplexes y1 gleich y1(gerade) ist. Nach der Berechnung des kubischen Spline des geraden in der Mitte befindlichen Schlags werden ein Schritt 430 der Berechnung der geraden Differenz und ein Schritt 435 der geraden Ausrichtung ausgeführt und entsprechen ihren Gegenstücken der Schritte 415 bzw. 420 des ungeraden Schlags.
Die kubische Ausrichtung ist gegenüber dem Ort der Punkte sehr tolerant. Sie ergibt selbst dann gute Ergebnisse, wenn die atriale Repolarisation oder ein kurzes PR-Intervall die isoelektrische Linie vor dem QRS-Komplex 510 verbirgt oder eine sich mischende T-Welle 520 und P-Welle 500 bei den anderen zwei Punkten das isoelektrische T-P-Intervall verbergen.
Vergleichsweise sind nicht ausgerichtete in der Mitte befindliche Schlagkomplexe, wie sie durch das Verfahren gemäß dem Stand der Technik verarbeitet werden, in 5 graphisch dargestellt, während die gleichen in der Mitte befindlichen Schlagkomplexe in 6 nach der Ausrichtung durch die Erfindung graphisch dargestellt sind. 6 stellt auch das Vorhandensein einer T-Wellen-Alternation 530 dar, die als die maximale Differenz zwischen den überlagerten Abschnitten der T-Wellen der aufeinanderfolgenden Schläge gesehen wird. Ein Vergleich von 5 und 6 demonstriert die Beseitigung von falschen positiven T-Wellen-Alternationen durch die durch die vorliegende Technik erreichte Ausrichtung des ungeraden und geraden in der Mitte befindlichen Komplexes. Diese Ausrichtung des ungeraden und geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplexes, wie sie durch die vorliegende Technik gelehrt wird, ist sowohl für die Bestimmung als auch für die Quantifizierung von Ereignissen der T-Wellen- Alternation 530 signifikant. Während keine derzeitige Vereinbarung über eine T-Wellen-Alternations-Schwelle zur Bestimmung des Vorhandenseins eines Ereignisses der T-Wellen-Alternation vorhanden ist, kann der Fachmann über einen passenden diagnostischen Bezugswert entscheiden, der in Verbindung mit der Erfindung als ein passender T-Wellen-Alternations-Schwellenwert anzuwenden ist.
Zu 3 zurückkehrend werden nach dem Schritt 150 der kubischen Ausrichtung ein Schritt 170 der nichtlinearen Filterung und ein Schritt 160 der TWA-Berechnung ausgeführt. In dem Schritt 160 der TWA-Berechnung werden der ausgerichtete ungerade und gerade in der Mitte befindliche Schlagkomplex verglichen, um eine Schätzung der Amplitude des Schlag-zu-Schlag-Wechsels bei den EKG-Daten zu erhalten. Diese Schätzung ist der TWA-Wert, der mit einem diagnostischen Bezugswert verglichen wird, um es zu bestimmen, ob eine TWA vorhanden ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt der Vergleich eine Bestimmung des maximalen Differenzbetrags bei der Amplitude (|y(ungerade) – y(gerade)|) zwischen den entsprechenden Werten des ausgerichteten ungeraden und geraden in der Mitte befindlichen Komplexes in dem das ST-Segment 522 und die T-Welle 520 umfassenden Bereich.
Bei der Berechnung des TWA-Werts kann hochfrequentes Rauschen den TWA-Wert beträchtlich verfälschen. Daher wird ein Schritt 170 der nichtlinearen Filterung ausgeführt. Das nichtlineare Filter weist zwei Fenster von 20 ms auf, eines bei dem ungeraden und das andere bei dem geraden in der Mitte befindlichen Schlag und beide an dem Ende des QRS-Komplexes 510 beginnend. Der minimale Differenzbetrag zwischen allen Amplituden der Fenster wird ausgewählt und gespeichert, und daraufhin werden die Fenster einen Schritt zu dem Ende der T-Welle 520 hin bewegt. Der minimale Differenzbetrag wird wieder ausgewählt und gespeichert, und die Fenster werden noch einmal bewegt. Die Prozedur wird wiederholt, bis die Fenster das Ende der T-Welle 520 erreichen. Bei den gespeicherten Werten ist das hochfrequente Rauschen herausgefiltert. Der TWA-Wert wird daraufhin berechnet, indem in den gespeicherten Werten nach der maximalen Differenz gesucht wird.
Es ist zu beachten, daß für das erste Meßintervall die ungeraden Schläge die Schläge 1, 3, 5, 7 usw. bis zu dem Ende des Meßintervalls sind. Ähnlich sind die geraden Schläge für das erste Meßintervall 2, 4, 6, 8 usw. bis zu dem Ende des Meßintervalls. Für alle nachfolgenden Meßintervalle sind dann, wenn der letzte Schlag des unmittelbar vorhergehenden Meßintervalls gerade war, die ungeraden Schläge die Schläge 1, 3, 5, 7 usw., und die geraden Schläge sind die Schläge 2, 4, 6, 8 usw. Wenn jedoch der letzte Schlag des unmittelbar vorhergehenden Meßintervalls ungerade war, dann sind die ungeraden Schläge die Schläge 2, 4, 6, 8 usw., und die geraden Schläge sind die Schläge 1, 3, 5, 7 usw. Diese letztere Regel erhält die relativen Gruppierungen von ungeraden und geraden Schlägen überall in einer EKG-Daten-Abtastung, falls eine Vielzahl von Meßintervallen an der Datensammlung beteiligt ist.
Während die Erfindung verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen zugänglich sein kann, sind spezifische Ausführungsbeispiele beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und dabei ausführlich beschrieben. Es jedoch selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die offenbarten speziellen Formen beschränkt sein soll.
Es wird eine Elektrokardiogrammverarbeitungstechnik zur Messung von T-Wellen-Alternationen bereitgestellt, durch die die alternierenden Elektrokardiogrammsignale zu einem kubischen Ziel-Spline ausgerichtet werden (420, 435). Der kubische Ziel-Spline wird auf der Grundlage von drei isoelektrischen Punkten (400) berechnet (405), d. h. einem Punkt vor der P-Welle, einem Punkt vor dem QRS-Komplex und einem Punkt nach der T-Welle. Die ausgerichteten Signale können daraufhin hinsichtlich Variationen wie beispielsweise T-Wellen-Alternationen weiter analysiert werden (160), die nur bei alternierenden Schlägen vorhanden sind und die eine diagnostische Signifikanz aufweisen.

Claims

Verfahren zur Messung von T-Wellen-Alternationen mit: Bestimmen einer ungeraden EKG-Daten-Folge mit Daten über zwei oder mehrere ungerade Schläge; Bestimmen einer geraden EKG-Daten-Folge mit Daten über zwei oder mehrere gerade Schläge; Bestimmen eines ungeraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplexes (130) aus der ungeraden EKG-Daten-Folge und eines geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplexes (140) aus der geraden EKG-Daten-Folge, wobei der ungerade in der Mitte befindliche Schlagkomplex (130) als eine gewichtete Funktion der ungeraden EKG-Daten-Folge bestimmt wird, und der gerade in der Mitte befindliche Schlagkomplex (140) als die gewichtete Funktion der geraden EKG-Daten-Folge bestimmt wird; Berechnen eines kubischen Ziel-Spline (405) beruhend auf drei Amplituden-Bezugspunkten, wobei die drei Amplituden-Bezugspunkte auftreten zu einer Zeit T1 vor einer P-Welle, einer Zeit T2 vor einer QRS-Welle und einer Zeit T3 nach einer T-Welle, mit T1 < T2 < T3, und wobei die drei zu T1, T2 und T3 auftretenden Amplituden-Bezugspunkte sich jeweils exakt zwischen drei Amplituden-Bezugspunkten ungerader Schläge in dem zu T1, T2 und T3 auftretenden in der Mitte befindlichen ungeraden Schlagkomplex und drei Amplituden-Bezugspunkten gerader Schläge in dem zu T1, T2 und T3 auftretenden geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplex befinden; Berechnen (410) eines kubischen Spline des ungeraden in der Mitte befindlichen Schlags beruhend auf den drei Amplituden-Bezugspunkten ungerader Schläge in dem ungeraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplex; Berechnen (425) eines kubischen Spline des geraden in der Mitte befindlichen Schlags beruhend auf den drei Amplituden-Bezugspunkten gerader Schläge in dem geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplex; Berechnen einer ungeraden Differenz (415) zwischen dem kubischen Spline des ungeraden in der Mitte befindlichen Schlags und dem kubischen Ziel-Spline; Berechnen einer geraden Differenz (430) zwischen dem kubischen Spline des geraden in der Mitte befindlichen Schlags und dem kubischen Ziel-Spline; Bestimmen einer ausgerichteten ungeraden EKG-Daten-Folge (420) durch Anpassen der Daten über die ungeraden Schläge mit der ungeraden Differenz; Bestimmen einer ausgerichteten geraden EKG-Daten-Folge (435) durch Anpassen der Daten über die geraden Schläge mit der geraden Differenz; Bestimmen eines ausgerichteten ungeraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplexes aus den ausgerichteten Daten über die ungeraden Schläge; Bestimmen eines ausgerichteten geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplexes aus den ausgerichteten Daten über die geraden Schläge; und Bestimmen einer maximalen Amplitudendifferenz (160) zwischen dem ausgerichteten ungeraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplex und dem ausgerichteten geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplex in einem gemeinsamen Intervall, wobei das gemeinsame Intervall ein ST-Segment und eine T-Welle des ungeraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplexes und des geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplexes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des Anwendens eines nichtlinearen Filters (170) bei dem ausgerichteten ungeraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplex und bei dem ausgerichteten geraden in der Mitte befindlichen Schlagkomplex.
System zur Messung von T-Wellen-Alternationen mit Verarbeitungsschaltungen (26), die zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 konfiguriert sind.