DE3927709A1 - Einrichtung zur herzueberwachung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Einrichtung zur Herz­ überwachung und insbesondere eine Einrichtung und ein Gerät zur Messung der Herzschläge in der Minute bzw. der Pulszahl sowie der Abweichung der ST-Strecke eines Elektrokardio­ gramms und zur Erzeugung eines Ausgangssignals einschließ­ lich eines Warnsignals nach Maßgabe der gemessenen Abwei­ chungen der ST-Strecke.

Im Verlauf der Normalfunktion des Herzmuskels werden perio­ disch eine Reihe elektrischer Entladungen erzeugt, die eine regelmäßige, jedoch komplexe Wellenform bilden. Diese Wel­ lenform wird bei der Untersuchung der Herztätigkeit rou­ tinemäßig überwacht und aufgezeichnet. Die überwachte Wel­ lenform wird als Elektrokardiogramm bzw. EKG bezeichnet.

Die komplexe Wellenform eines EKG ist in charakteristische Segmente bzw. Strecken unterteilt, um das Verständnis der Herztätigkeit zu erleichtern. Insbesondere zeigt Fig. 1 die einem einzelnen Herzschlag zugehörige Wellenform. Dabei sind die Spitzen und Täler konventionell mit P, Q, R, S und T bezeichnet. Verschiedene Teile dieser Wellenform wie etwa die QRS-Gruppe und die ST-Strecke haben bei der Untersu­ chung des Herzens eine besondere Bedeutung. Z. B. wurde gefunden, daß die ST-Strecke, also der Teil der EKG-Wellen­ form zwischen dem S- und dem T-Punkt in Fig. 1, bestimmten pathologischen Befunden der Herzfunktion entspricht. Häufig weist die Vertiefung der ST-Strecke aus ihrer Normallage auf subendokardiale Ischämie, d. h. eine Minderdurchblutung dieses Teils des Herzmuskels, hin. Eine Erhöhung der ST- Strecke weist ferner häufig auf lokale Durchblutungspro­ bleme, z. B. auf inferiore oder anteroseptale Ischämie, hin. In diesem Zusammenhang ist die Erhöhung oder Vertie­ fung der ST-Strecke die Änderung der Lage der ST-Strecke relativ zu einem Normalwert. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, liegt der Normalwert der ST-Strecke nahe der isoelektri­ schen Linie des EKG. Die erhöhte ST-Strecke liegt über der isoelektrischen Linie, wogegen eine Vertiefung der ST- Strecke unter der isoelektrischen Linie liegt. Insgesamt liefert eine ST-Streckenabweichung entweder nach unten oder nach oben einen signifikanten Hinweis auf Myokardischämie und ist damit ein wirksames Werkzeug zur Erfassung und Vor­ hersage von Herzfehlfunktionen.

Zwar hat man heute die Bedeutung der ST-Strecke und der zugehörigen Abweichungen allgemein erkannt, ihre präzise Messung ist jedoch noch immer schwierig. Dies gilt insbe­ sondere, wenn die Messung während der Dauer einer sport­ lichen Betätigung oder irgendeiner anderen unabhängigen Tätigkeit eines Probanden erfolgen soll. Bisher wurde bei dem Versuch der Überwachung der ST-Strecke und ihrer Ab­ weichungen von einem Normalwert entweder eine direkte Über­ wachung der EKG-Aufzeichnung mittels Oszilloskop durchge­ führt, oder es erfolgte der Einsatz komplexer Software für eine bitweise Aufzeichnung der ST-Strecke über einen län­ geren Zeitraum. Diese Lösungsvorschläge können den Bedarf für eine schnelle, präzise und unauffällige Einrichtung zur Überwachung von Abweichungen der ST-Strecke nicht befrie­ digen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer verbesserten Einrichtung zur Herzüberwachung; dabei soll ein Monitor angegeben werden, der Abweichungen der ST- Strecke einer EKG-Wellenform messen kann; ferner soll ein Gerät angegeben werden, das die Abweichung der ST-Strecke vom Normalwert in einer EKG-Wellenform mißt, die Pulszahl mißt und ein Ausgangssignal entsprechend der ST-Abweichung und der Pulszahl einschließlich eines Alarms liefert, der vorbestimmten Ausschlägen der ST-Abweichung und der Puls­ zahl entspricht. Ferner sollen in einem Gerät die Mittel zur Messung der ST-Streckenabweichung und der Pulszahl zusammen mit Signalverarbeitungsmitteln und Speichermitteln kombiniert werden; außerdem soll ein Gerät zur Überwachung, Auswertung und Speicherung von Information der Pulszahl und der ST-Streckenabweichung in einem Gehäuse vorgesehen wer­ den, das leicht und unauffällig an einem Probanden befe­ stigt werden kann und z. B. während einer routinemäßigen sportlichen Betätigung oder zur Langzeitüberwachung ein­ setzbar ist.

Die angegebene Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Einrichtung und ein Gerät zur Messung, Aufbe­ reitung und Auswertung einer EKG-Wellenform. Die Einrich­ tung verwendet Elektroden, die nahe dem Herzen des Proban­ den angebracht sind. Diese Elektroden nehmen die herzindu­ zierte EKG-Wellenform auf und liefern ein entsprechendes Signal an einen Signalaufbereitungskreis. Dieser verarbei­ tet das Eingangssignal in solcher Weise, daß die ST-Strecke verstärkt wird, und erzeugt ein Rechtecksignal, das von der ST-Strecke pulsbreitenmoduliert wird. Das pulsbreitenmodu­ lierte Rechtecksignal wird ausgewertet, um zu bestimmen, ob und wie weit die ST-Strecke von einem Normalwert abweicht. Ausgangssignale wie etwa Warnsignale werden je nach dem Ausmaß der ST-Abweichung und/oder von Änderungen der Puls­ zahl ausgelöst.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen charakteristischen Verlauf eines Human- EKG;

Fig. 2 ein Blockschaltbild von Komponenten der Ein­ richtung;

Fig. 3 ein Schaltbild der Signalaufbereitungsschal­ tung; und

Fig. 4 drei getrennte EKG-Verläufe, die die Phasen der Signalverarbeitung zeigen.

Fig. 2 zeigt die Komponenten der Einrichtung in Form eines Blockschaltbilds. Sensoren 10 umfassen mehrere Elektroden, die am Probanden in der Herzgegend angebracht sind. Diese Sensoren messen die EKG-Wellenform und liefern ein dieser entsprechendes Ausgangssignal, das als Eingangssignal der Signalaufbereitungseinheit 20 zugeführt wird.

Die Signalaufbereitungseinheit 20 umfaßt die schematisch in Fig. 3 dargestellten Schaltkreise. Dabei bilden die Aus­ gangssignale der mehreren Sensoren das verknüpfte Eingangs­ signal zu dem automatischen Verstärkungsregelungskreis bzw. AVR-Kreis 120. Der AVR-Kreis 120 umfaßt einen Verstärker 122, der die Stärke des Empfangssignals erhöht. Dieser Kreis normiert außerdem das Signal über die Rückkopplungs­ schleife 124 unter Erzeugung eines spannungsmäßig gleich­ förmigen EKG. Auf diese Weise liefert der AVR-Kreis eine skalierte EKG-Wellenform an einen Absolutwertkreis 130. Dieser verwendet zwei Verstärker, und zwar einen invertie­ renden und einen Normalverstärker, die jeweils mit einer einzelnen Diode reihengeschaltet und in bezug auf den Aus­ gang des AVR-Kreises parallelgeschaltet sind. Der Absolut­ wertkreis wandelt das EKG-Wechselstromsignal in ein Gleich­ stromsignal um, indem sämtliche negativen Teile der EKG- Wellenform invertiert werden.

Das Gleichstromausgangssignal des Absolutwertkreises 130 von Fig. 3 wird einem Pulsbreitenmodulationskreis bzw. PDM-Kreis 140 zugeführt. Der PDM-Kreis 140 umfaßt ein Tief­ paßfilter 142, das mit einem einen Auftastimpuls erzeu­ genden Verstärker 144 reihengeschaltet ist. Das Ausgangs­ signal des PDM-Kreises 140 ist eine Rechteckwelle konstan­ ter Amplitude, deren Frequenz dem Herzschlag in der Minute, d. h. der Pulszahl, äquivalent ist. In dieser Schaltung wandelt das Tiefpaßfilter 142 eine heterogene EKG-Wellen­ form in eine Serie von Zacken um, deren jede einem Herz­ schlag entspricht und durch eine einzige Spitze (Punkt R in Fig. 1), gefolgt von einer allmählichen Rückkehr zur iso­ elektrischen Linie, charakterisiert ist. Diese Zacke wird dem Auftastimpulserzeugungs-Verstärker 144 zugeführt und mit einem vom Benutzer gewählten Einstellpunkt verglichen. Dabei ist der Einstellpunkt ein positiver Spannungswert, der ständig mit dem ankommenden EKG-Signal verglichen wird. Wenn die Amplitude des EKG-Signals diesen Einstellpunkt überschreitet, beginnt der Auftastimpulserzeugungs-Ver­ stärker einen Impuls dieser Amplitude in Form einer Recht­ eckwelle. Wenn die Hinterflanke der EKG-Zacke wieder diesen Einstellpunkt passiert, beendet der Auftastimpulserzeu­ gungs-Verstärker den Impuls.

Die Dauer jedes die Rechteckwelle vom PDM-Kreis 140 bil­ denden Impulses wird durch die Lage der ST-Strecke in der ursprünglichen EKG-Wellenform moduliert. Eine erhöhte ST- Strecke erzeugt eine kürzere Impulsdauer, wogegen eine vertiefte ST-Strecke eine längere Impulsdauer erzeugt.

Die Abweichung der ST-Strecke ist definitionsgemäß die als Erhöhung oder Vertiefung auftretende Abweichung der ST- Strecke von einem bekannten Normal- oder Kontrollwert der ST-Strecke. Zur Bestimmung der Abweichung der ST-Strecke wird das Ausgangssignal des PDM-Kreises 140 dem Signalpro­ zessor 30 (Fig. 2) zugeführt. Die Abweichung der ST-Strecke ist der Absolutwert der Differenz zwischen der gespeicher­ ten, von der Normal-ST-Strecke modulierten Impulsdauer und der von der Momentan- oder Echtzeit-ST-Strecke modulierten Impulsdauer.

In der Praxis nimmt die Einrichtung das EKG eines Probanden auf und normiert es. Fig. 4 zeigt stichprobenartige EKG- Wellenformen, die an verschiedenen Punkten der vorgenannten Signalverarbeitungsoperation entnommen wurden. Dabei ent­ spricht Fig. 4 I einem normalen ST-Streckenwert, der auf ein ordnungsgsgemäß arbeitendes Herz hinweist. In der Reihe I(A) entspricht das aufgezeichnete Signal dem Ausgangssi­ gnal des AVR-Kreises 120 in Fig. 3, wobei die Amplitude des Signals aus den verschiedenen Elektrodeneingangssignalen normiert wurde. Dieser Signalverlauf entspricht Fig. 1 und somit einer konventionellen Wellenform.

In Reihe I(B) stellt die Wellenform das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 142 von Fig. 3 dar. I(B) ist die Wellenform I(A) nach Durchlaufen des Absolutwertkreises und des Tief­ paßfilters. Es ist ersichtlich, daß die negativen Teile von I(A) invertiert (positiv gemacht) wurden und die Hochfre­ quenzkomponente des Signals ausgefiltert wurde, so daß die eher allmählich abnehmende abgerundete Zacke verbleibt. Dieser Vorgang beseitigt zwar einen Teil der Information, es ist jedoch ersichtlich, daß die ST-Streckeninformation verstärkt und besser zugänglich gemacht wird.

Schließlich stellt I(C) in Fig. 4 das Rechteckausgangssi­ gnal des Auftastrechteckwellenerzeugers 144 in Fig. 3 dar, wobei der Rechteckimpuls beginnt, wenn die Amplitude der Zacke in I(B) den Einstellpunkt im Rechteckwellenerzeuger erreicht und ihm gleich wird. Der Impuls in I(C) bleibt mit konstanter Amplitude für eine Zeitdauer erhalten, die durch die Dauer der abgerundeten Zacke in I(B) bestimmt ist. In dieser Hinsicht fällt das Signal in I(B) auf Null zurück und durchläuft den Wert des Einstellpunkts nach einer dis­ kreten Zeit. Diese diskrete Zeit bestimmt nun die Dauer des Rechteckimpulses in I(C), da der Impuls präzise dann endet, wenn das Signal in I(B) wieder zurück durch den Einstellpunkt geht.

Die normale ST-Strecke tritt routinemäßig nahe der isoelek­ trischen Linie auf und wird somit von dem Absolutwertkreis invertiert. Eine erhöhte ST-Strecke (in III von Fig. 4) stellt aufgrund ihrer erhöhten Lage bei der Inversion einen kleinen Beitrag zu der Gesamtwellenform (siehe III(B) als relativ kurze Zacke) dar. Bei der Verarbeitung resultiert diese schmale Zacke in einem im Verhältnis dazu noch schma­ leren Impuls und bezeichnet als solcher eine ST-Strecken- "Erhöhung".

In Fig. 4 II(A-C) hat die vertiefte ST-Strecke einen großen negativen Wert und vergrößert bei Inversion die Länge der Zacke in II(B) wesentlich. Dies resultiert in der Verlän­ gerung des Impulses in II(C), da der Durchgang durch den Einstellpunkt zum zweitenmal nach einem viel längeren Zeit­ intervall als in I oder II erfolgt.

Wie oben beschrieben, wird die momentane ST-Streckenab­ weichung einfach bestimmt durch Vergleich zwischen der momentanen, von der ST-Strecke modulierten Pulsdauer und einer gespeicherten normalen Pulsdauer. Dieser Vergleich wird beispielsweise digital durch eine CPU auf Basis eines Mikroprozessors mit integrierten Speicher-, Ausgabe- und Anzeigemitteln durchgeführt. Beispielsweise nimmt in Fig. 2 die CPU 30 das ankommende pulsbreitenmodulierte Signal vom Signalaufbereitungskreis 20 ab und tastet das ankommende Signal entsprechend einem Signalmittelungsalgorithmus ab unter Speicherung von Information im RAM 40 oder im peri­ pheren Speicher 70. Eine Anzeige 60 z. B. in Form einer Flüssigkristallanzeige liefert dem Benutzer korrekte In­ formation, und der Ausgabekreis 50 erzeugt einen Alarm bei Ausschlägen der ST-Streckenabweichung.

Eine auf einem Mikroprozessor basierende Einrichtung bietet die größte Flexibilität, da das ankommende Signal auf ver­ schiedene Weise aufbereitet werden kann. Eine größere Gesamtpräzision kann erhalten werden durch Bildung von zeitlich gemittelten Werten der Impulsdauern und durch An­ wendung numerischer Verfahren zum Entfernen von Artefakten, Rauschen oder anderen Fehlerquellen.

Die Anwendung eines Systemspeichers erlaubt eine Langzeit­ analyse von Ausschlägen der ST-Strecke und Ausschlagmu­ stern, die z. B. über einen belastungsreichen Zeitraum von 24 h auftreten. Außerdem erlaubt das Mikroprozessorsystem den Austausch von systemsteuernden Algorithmen, die Ver­ stellung von Einstellpunktgrößen, Alarmwerten und vorein­ gestellten normalen Impulsdauern. Ferner können die System­ algorithmen eine "normale" Impulsdauer durch Operation eines Lernzyklus bestimmen, wobei das EKG während einer belastungsarmen Zeit, die vom Benutzer angegeben wird, gemessen und die zeitlich gemittelten Werte der "normalen" Impulsdauer gespeichert werden, um später bei der Berech­ nung der ST-Streckenabweichung verwendet zu werden.

Alternativ kann ein Signalprozessor 30 eine diskrete Elek­ tronik für die Analogverarbeitung der pulsbreitenmodulier­ ten Rechteckwelle, die Echtzeitextraktion der ST-Strecken­ abweichung und die entsprechende Kontrolle des Ausgabe­ alarms aufweisen, ohne daß eine digitale Verarbeitung notwendig ist.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Herzüberwachung, gekennzeichnet durch Signalerfassungsmittel (10) zur Aufnahme einer EKG-Wellen­ form und Leiten derselben an eine Signalaufbereitungsein­ heit (20), wobei die Signalaufbereitungseinheit (20) aufweist: einen automatischen Verstärkungsregelungskreis (120) und einen Absolutwertkreis (130), der die Wellenform in ein Gleichstromsignal umwandelt, und einen Impulserzeuger (140), der einen Ausgangsimpuls erzeugt, dessen Pulsbreite durch das Gleichstromsignal von der Signalaufbereitungs­ einheit moduliert ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulserzeuger (140) ein Tiefpaßfilter (142) in Reihe mit einem Auftastimpulserzeugungskreis (144) auf­ weist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftastimpulserzeugungskreis (144) ferner einen Einstellwert zum Vergleich mit dem Gleichstromsignal umfaßt und den Ausgangsimpuls erzeugt, wenn das Gleichstromsignal den Einstellwert überschreitet, und diesen Impuls beendet, wenn das Gleichstromsignal unter den Einstellwert fällt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls ein Rechteckimpuls ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerfassungsmittel eine Mehrzahl Elektroden (10) aufweisen, die nahe dem Herzen anzuordnen sind.

6. Einrichtung zur Überwachung und Umwandlung einer EKG- Wellenform, gekennzeichnet durch elektrische Sensoren (10) zur Messung der EKG-Wellenform, eine Signalaufbereitungseinheit (20), die sämtliche nega­ tiven Teile der EKG-Wellenform invertiert, einen Impuls­ erzeuger (140), der Impulse einer durch eine Änderung der Lage der ST-Strecke der EKG-Wellenform modulierten Impuls­ dauer erzeugt, und eine Vergleichereinheit (30), die die Größe der Abweichung der ST-Strecke von einem Normalwert bestimmt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausgabeeinheit (50) mit einem Alarm zur Anzeige, wenn die ST-Streckenabweichung vorgegebene Grenzwerte über­ schreitet.

8. Verfahren zur Erfassung der Abweichung der ST-Strecke, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Messen einer EKG-Wellenform;
• b) Aufbereiten der EKG-Wellenform durch Invertieren sämt­ licher negativen Teile der Wellenform in positive Werte und Leiten der invertierten EKG-Wellenform durch ein Tiefpaßfilter;
• c) Erzeugen eines Impulses, der durch die Anderung der Lage der ST-Strecke der EKG-Wellenform moduliert ist; und
• d) Vergleichen des erzeugten Impulses mit einem Impuls, der durch eine EKG-Wellenform mit normaler Lage der ST- Strecke moduliert ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbereitung der EKG-Wellenform die Normierung der Verstärkung in der EKG-Wellenform umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Sammeln einer Mehrzahl Impulse und Bestimmen einer ST- Streckenabweichung auf der Basis von zeitlich gemittelten Änderungen der erzeugten Impulse.