DE19752094C1 - Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer diagnostischen Information aus Signalmustern medizinischer Sensorsysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von gemes­ senen periodischen oder quasiperiodischen Signalen medizi­ nischer Sensorsysteme durch Digitalisierung der Signale und Vergleich von Signalabschnitten der gemessenen Signale mit abgespeicherten vergleichbaren Signalabschnitten.

Charakteristik bekannter technischer Lösungen:

Die in der zugänglichen Literatur beschriebenen Verfahren zur Feststellung der Signalmusterähnlichkeit von periodischen Signalen medizinischer Sensorsysteme beschränken sich in der Regel auf die Signale desselben Patienten.

Dabei wird beispielsweise eine Korrelation von unter normalen Umständen gemessenen und gefilterten EKG-Signalen mit laufenden, u. U. gestörten bzw. krankhaften EKG-Signalen desselben durchgeführt. Ein wei­ teres Beispiel ist US 5,240,009. Hier wird die Erkennung von Rhythmusstörungen durch Vergleich gemittelter und gespeicher­ ter Wellenformkomplexe mit den aktuell gemessenen desselben Patienten beschrieben. Auch in DE 32 09 850 werden Rhythmus­ störungen klassifiziert. Dies erfolgt durch Vergleich des vollständigen Verlaufs des EKG mit zuvor in einer Lernphase erfaßten oder berechneten EKG-Verläufen des untersuchten Pa­ tienten und der vollständigen Abspeicherung eines Beispiels des EKG-Verlaufs für jede Klasse von Rhythmusstörungen des untersuchten Patienten. Allen vorgestellten Lösungen ist ge­ meinsam, daß sie nur den Vergleich von EKG oder von Teilen des EKG am gleichen Patienten ermöglichen.

EKG-Auswertesysteme, z. B. nach US 5,022,404, erfassen ein oder mehrere Elektrodenpotentiale von am Patienten befestigten Elektroden, filtern und digitalisieren diese. Anschließend werden diese Signale über einen Multiplexer an einen im EKG- Auswertesystem vorhandenen Mikrocomputer mit CPU, Arbeits­ speicher usw. zugeführt. Dieser bereitet die gemessenen Sig­ nale auf, z. B. durch Entfernen der Grundliniendrift nach DE 41 06 856, US 5,357,969 oder die Entfernung von Muskelarte­ fakten aus dem EKG nach US 5,259,387. Außerdem berechnet er die für die medizinische Bewertung des EKG erforderlichen me­ dizinischen Ableitungen nach Wilson, Goldberger, Einthoven und/oder die orthogonalen Ableitungen nach Frank. Im einfach­ sten Fall werden diese medizinischen Ableitungen entweder auf Papierstreifen und/oder elektronischen Displays, z. B. in US ­ 5,022,404 auf LCD-Displays, dargestellt und vom auswertenden Arzt bewertet. Intelligentere, sogenannte auswertende Elektro­ kardiografen, verwenden den im Gerät vorhandenen Mikrocomputer außer zur Signalaufbereitung und Anzeige auch zur Signalaus­ wertung, Signalvermessung und ggf. zur Ausgabe von diagno­ stischen Hinweisen, wie z. B. in US 5,029,082.

Die Signalvermessung und Auswertung erfolgt, wie noch in nach­ folgend näher erläuterten Patentschriften beschrieben wird, in der Regel so, daß aus den berechneten medizinischen Ableitun­ gen eine Anzahl, für die kardiologische Begutachtung des EKG wichtiger, einzelner Signalparameter hinsichtlich Zeitdauer und Amplitude bzw. daraus abgeleiteten Kriterien ermittelt werden. Problematisch bei dieser Ermittlung einzelner Signal­ kenngrößen sind die unterschiedlichen Herangehensweisen, wie z. B. bei der exakten Bestimmung der Nullinie des EKG /1/ zur Bestimmung des Anfangspunktes der P-Welle und der daraus fol­ genden Ermittlung der Dauer der P-Welle, die je nach Qualität des eingesetzten Verfahrens durchaus wesentlich abweichende Ergebnisse liefern. Die Patentschriften sind unter anderem DE 43 10 412 (Auswertung des ST-Segments bzw. der T-Welle), DE 39 27 709 (Auswertung der ST-Strecke), US 5,159,932 (Filte­ rung des EKG, QRS-Findung, Mittelung) oder US 5,020,540 (Ana­ lyse der Frequenzstruktur des QRST-Komplexes, Waveform-Templa­ te). Weitere relevante Patentschriften beinhalten die Ermitt­ lung einzelner Kenngrößen des EKG bzw. dienen der Erkennung begrenzter diagnostischer Aussagen z. B. in US 4,930,075 (Aus­ wertung des ST-Segments zur Feststellung von Ischämien), US ­ 5,025,794 (Methode der bidirektionalen Filterung zur Erkennung von Spätpotentialen), US 5,355,891 (Automatische Signalmitte­ lung durch Schlagtriggerung zur Erkennung von Spätpotentia­ len), US 5,341,811 (HP-Filterung von mindestens zwei Kanälen, gewichtete Mittelung, Einsatz adaptiver Filter zur Gleichtakt­ unterdrückung, Spätpotentialerkennung) oder DE 43 04 269 (Aus­ wertung der ST-Strecke zur Bewertung akuter ischämischer Schä­ digungen).

Die ermittelten Signalkenngrößen werden direkt zusammen mit dem Signalverlauf des EKG auf dem Papierstreifen ausgedruckt oder angezeigt. Zur Ausgabe diagnostischer Hinweise werden in einem mehr oder weniger komplizierten und verzweigten Ent­ scheidungsbaum die einzelnen ermittelten Signalkenngrößen mit­ einander zu sinnvollen diagnostischen Hinweisen verknüpft. Dies erfolgt beispielsweise durch die Computer-EKG-Geräten zugrundeliegenden Programme. Solche Entscheidungsbäume können beispielsweise folgende Form haben: "Wenn Parameter 1 in Ver­ bindung mit Parameter 3 und/oder Parameter 4 auftritt und in der medizinischen Ableitung a gleichzeitig Bedingung 1 wirksam ist, kann daraus auf die diagnostische Aussage xyz geschlossen werden". In dieser Weise kann für jede bekannte Diagnose ein Entscheidungsbaum auf der Grundlage einzelner, aus dem EKG in seinen Ableitungen ermittelter Signalkenngrößen aufgebaut wer­ den. Dieses Verfahren ist aufgrund der Vielzahl der Einfluß­ größen und Parameter außerordentlich aufwendig und setzt um­ fangreiche kardiologische Kenntnisse bzw. Erfahrungen voraus. Änderungen oder Verbesserungen der Verfahren zur Ermittlung einzelner Parameter, Beeinflussung von empirisch bestimmten Schwellwerten oder neue medizinische Erkenntnisse erfordern teilweise aufwendige Programmänderungen und Funktionstests und sind daher mit hohen Kosten verbunden, bzw. erfordern neue EKG-Geräte mit den überarbeiteten Programmen. Das Patent US 5,355,892 beschreibt daher ein EKG-System mit portablen Speichermedien (Diskettenlaufwerk) zur Speicherung sowohl von EKG und Patienteninformationen, z. B. für Krankenhaus-Informa­ tionssysteme als auch zum Nachladen oder Aktualisieren von Algorithmen zur EKG-Auswertung.

In US 5,437,278 wird ein medizinisches Diagnosesystem be­ schrieben, bei dem digitalisierte medizinische Daten über den Zustand eines Patienten mit in einem Speicher abgelegten, zu einem früheren Zeitpunkt bestimmten, ebenfalls digitalisierten medizinischen Daten verglichen werden. Aus dem Vergleich wird eine Diagnose bezüglich des Patienten abgeleitet.

Durch einen Vortrag, gehalten auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik im September 1994 von Dr. Bousseljot unter dem Titel "Aufbau der EKG-Datenbank CARDIODAT der PTB" ist eine Datenbank bekannt, in der EKG-Sig­ nalformen in digitaler Form zusammen mit zugehörigen medizi­ nischen Daten, insbesondere Befunden, abgespeichert sind. Der Zweck dieser Datenbank besteht in dem Zurverfügungstellen von Test-EKG-Signalen für die Überprüfung automatisch auswertender Auswertungsgeräte, deren Auswertung mit Hilfe eines Software- Expertensystems erfolgt. Ferner stehen die abgespeicherten EKG- Signale zur Überprüfung von Auswertungstheorien zur Verfügung, da der zugehörige tatsächliche Befund mit abgespeichert ist.

Der Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, eine von nicht endgültig gesicherten medizinischen Schlußfolgerungen unabhängige und in automatisierter Form mögliche Auswertung periodischer oder quasiperiodischer Signale durch verbesserte Signalvergleiche zu ermöglichen.

Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß das Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Pe­ rioden der gemessenen Signale auf eine vorbestimmte Perioden­ dauer normiert werden und daß die mit einer bestimmten Abtast­ frequenz digitalisierten Werte eines Abschnitts der gemessenen und auf die vorbestimmte Periodendauer normierten Signale mit für dieselbe Abtastfrequenz gebildeten Werten eines ent­ sprechenden Abschnitts von in einer Datenbank abgespeicherten und auf dieselbe vorbestimmte Periodendauer normierten Signa­ len verglichen werden.

Die erfindungsgemäße Auswertung von gemessenen Signalen zur Erzielung diagnostischer Informationen geschieht somit aus­ schließlich durch einen Signalvergleich mit in der Datenbank abgespeicherten Signalmustern.

Zur Verbesserung der Vergleichbarkeit der gemessenen Signale mit entsprechenden, in einer Datenbank abgespeicherten Signale werden erfindungsgemäß die Vergleichssignale der Datenbank auf eine vorbestimmte Periodendauer normiert und mit einer vorbe­ stimmten Abtastfrequenz digitalisiert. In entsprechender Weise werden die gemessenen Signale auf dieselbe vorbestimmte Peri­ odendauer normiert und mit derselben Abtastfrequenz digitali­ siert. Auf diese Weise ist insbesondere erstmalig der Ver­ gleich von entsprechenden Signalen verschiedener Patienten möglich.

Für mehrkanalige Messungen, wie sie beispielsweise beim EKG oder EEG vorkommen, wird zweckmäßigerweise die Auswertung für einzelne Sensorkanäle mit abgespeicherten Signalabschnitten der entsprechenden oder zumindest vergleichbaren Sensorkanäle vorgenommen.

Der Vergleich des aktuell gemessenen Signalmusters mit den in Datenbanken abgelegten Signalen erfolgt vorzugsweise durch die Berechnung eines Korrelationskoeffizienten für jeden Abschnitt der gemessenen Signale mit den Signalen aller oder ausgewähl­ ter, in der Datenbank abgespeicherter Signalmuster, und zwar an einer Stelle oder an mehreren Stellen, wobei der Korrela­ tionskoeffizient als Maß für die Ähnlichkeit der verglichenen Signale verwendet wird. Hierdurch wird nur ein Teil der in dem gemessenen Signalmuster enthaltenen diagnostischen Informatio­ nen genutzt, dafür jedoch ein einfaches und schnelles Verfah­ ren verwendet, das die Durchführung der benötigten zahlreichen Vergleiche ermöglicht. Werden mehrere Korrelationskoeffizien­ ten bestimmt, wird als Maß für die Ähnlichkeit vorzugsweise das Maximum der Korrelationskoeffizienten verwendet.

Zur Durchführung eines Vergleichs über eine Korrelationsfunk­ tion werden die zu vergleichenden Meßdaten gegeneinander ver­ schoben, um so die Korrelationsfunktion in an sich bekannter Weise zu bilden.

Es ist denkbar, die in der Datenbank abgespeicherten Signalmu­ ster, die alle mit derselben Abtastfrequenz digitalisiert wor­ den sind, für den jeweils durchzuführenden Vergleich ebenfalls auf eine normierte Periodendauer umzurechnen. Vorteilhafter ist es jedoch, die in der Datenbank abgespeicherten Signalmu­ ster bereits als auf die bestimmte Periodendauer normierte und entsprechend digitalisierte Daten abzulegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, aus dem Signalvergleich auf einen medizinischen Befund zu schließen, indem den in der Datenbank abgespeicherten Signalen medizi­ nische Befunde zugeordnet sind und nach einer Vielzahl vorge­ nommener Vergleiche aus einer Häufung von Übereinstimmungen mit abgespeicherten Signalen mit einem bestimmten medizi­ nischen Befund eine Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen des bestimmten medizinischen Befunds bezüglich der gemessenen Signale hergeleitet wird.

Ausführungsbeispiel:

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zei­ gen

Fig. 1 - Schematische Darstellung der Verfahrensschritte am Beispiel des EKG

Fig. 2 - Darstellung eines Schlages einer Ableitung ei­ nes zu vergleichenden EKG vor der Normierung

Fig. 3 - Darstellung eines Schlages der Ableitung eines zu vergleichenden EKG nach der Normierung

Fig. 4 - Darstellung der Korrelationsfunktion zweier gut korrelierender Ableitungen von EKG verschiede­ ner Patienten

Fig. 5 - Darstellung der Korrelationsfunktion zweier schlecht korrelierender Ableitungen von EKG verschiedener Patienten.

Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Ver­ fahrensschritte am Beispiel des Elektrokardiogramm dargestellt (Fig. 1). Ziel eines Vergleiches für EKG-Signale ist es, für jede Ableitung eines gemessenen EKG die oder diejenigen ver­ gleichbaren Ableitungen von EKG in einer EKG-Datenbank zu fin­ den, die in Bezug auf ihre Signalmuster die größtmögliche Übereinstimmung besitzen. Dies erfolgt nach einer Normierung der EKG-Signale mit Hilfe der Berechnung der Korrelations­ funktion, die ein Maß für die Übereinstimmung der Signalmuster zweier Signalausschnitte liefert.

Da jedes EKG unabhängig vom grundlegenden Signalmuster einen individuellen Rhythmus aufweist bzw. sogar innerhalb eines EKG starke Schwankungen des Herzrhythmus auftreten können, ist ein direkter Mustervergleich über die Berechnung der Korrelations­ funktion nicht möglich. Selbst bei identischem Signalmuster jedoch unterschiedlicher Herzrate der zu vergleichenden Ablei­ tungen führt die direkte Berechnung der Korrelationsfunktion zu unterschiedlichen Ergebnissen. Um dennoch einen Vergleich zu ermöglichen, werden die im Signalmuster des EKG enthaltenen Informationen von den im Signalrhythmus enthaltenen getrennt. Dadurch wird es möglich, durch eine Normierung der Signalmu­ ster der EKG verschiedener Patienten (mit unterschiedlicher Herzrate) z. B. auf eine einheitlicher fiktive Herzrate die EKG hinsichtlich ihres Signalmusters mittels Korrelation mitein­ ander zu vergleichen.

Praktisch geschieht dies durch "Stauchen" oder "Strecken" der Zeitachse vergleichbarer Signalabschnitte der Ableitungen der Datenbank-EKG als auch der gemessenen EKG auf eine gleiche, fiktive Länge.

Geht man beispielsweise von einem Schlag als vergleichbaren Signalabschnitt aus (Fig. 2 und Fig. 3), werden die RR-Abstän­ de der zu vergleichenden Ableitungen z. B. auf die Einheitslän­ ge 1 gestaucht oder gestreckt. Durch die vorgegebene Anzahl der Abtastwerte der Ableitung ändert sich bei dieser Anpassung der Zeitachse jedoch dessen Abtastfrequenz. Da die Berechnung der Korrelationsfunktion gleiche Abtastfrequenzen der zu ver­ gleichenden Signalabschnitte voraussetzt, ist eine Neuberech­ nung der Abtastwerte (Resampling) der gestauchten oder ge­ streckten Ableitung des gemessenen EKG z. B. durch lineare In­ terpolation notwendig.

Diese Verfahrensweise führt dazu, daß auch Ableitungen mit z. B. individuell unterschiedlicher Herzfrequenz (unterschied­ lichen RR-Abstand) aber mit gleichem Signalmuster gleiche Er­ gebnisse bei der Berechnung der Korrelationsfunktion ergeben.

Die Korrelationsfunktionen werden für jede Ableitung des Refe­ renz-EKG mit den entsprechenden Ableitungen jedes Datenbank- EKG berechnet. Variable X_n und Y_n kennzeichnen die diskreten Datensätze, die dem auszuwertenden Referenz-EKG X und dem Da­ tenbank-EKG Y entnommen wurden. Die Anzahl Punkte N, an denen die Funktion gebildet werden kann, ergibt sich aus der Länge der zu vergleichenden Signalabschnitte. Für den Signalmuster­ ausschnitt jeder Ableitung des zu vergleichenden EKG wird z. B. eine Periode des EKG-Signals verwendet. Für die Vergleichbarkeit von EKG, die mehrere Ableitungen enthalten, ist es erforderlich, daß die verwendeten Zeitabschnitte jeder Ableitung zum gleichen Zeitpunkt innerhalb des EKG ausge­ schnitten werden. Die ausgeschnittene Periode enthält bei­ spielsweise die Signalabschnitte P-Welle, QRS-Komplex und T-Welle. Dieses Signalmuster wird nach Normierung des Zeitmaß­ stabes mit mindestens einer Schlagperiode der Datenbank-EKG verglichen. Entsprechend dem periodischen Verhalten des Daten­ bank-EKG ist die Korrelationsfunktion wieder eine periodische Funktion. Die Abb. 4 zeigt den Verlauf der Korrelationsfunk­ tion bei gut übereinstimmenden Signalmustern der korrelierten EKG-Ableitungen. Deutlich sind periodisch wiederkehrende Maxi­ ma an den Stellen der größten Übereinstimmung der Signalmuster mit einem Amplitudenwert nahe dem Wert 1 ausgeprägt. Abb. 5 zeigt hingegen die Korrelationsfunktion bei weniger gut über­ einstimmenden Signalmustern. Die Amplituden der positiven Ma­ xima der Korrelationsfunktion liegen hier unter dem Wert 0.5.

Nach der eingangs formulierten Zielstellung werden die gut übereinstimmenden Signalmuster gesucht. Aus diesem Grunde wer­ den nur die positiven Maximalwerte M_i der Korrelationsfunktion bestimmt. Die Suche nach diesen Maxima erfolgt durch Auswer­ tung der Amplituden unter gleichzeitiger Beachtung der Pe­ riodizität des Signals. In Abhängigkeit von den Unterschieden der einzelnen EKG-Schläge einer Ableitung untereinander (Schlagvariation) weichen die Amplituden der periodischen Maxima M_i von einander ab.

Deshalb wird in einem weiteren Schritt das absolute Maximum M aus den periodischen Maxima M_i gesucht.

Die so erhaltene Größe M ist ein Maß für die Übereinstimmung der miteinander verglichenen Ableitungen.

Je größer die Ähnlichkeit der Signalmuster, desto größer ist der Wert von M. Bei vollständiger Übereinstimmung der Muster ist M = 1. Im Ergebnis dieser Rechnungen entsteht eine Tabel­ le, deren Spaltenelemente für jede Ableitung den absoluten Maximalwert M der jeweiligen Korrelationsfunktion beinhaltet. Die Zeilen dieser Tabelle werden durch die für den Vergleich verwendeten Datenbank-EKG gebildet. Zur Kennzeichnung der Da­ tenbank-EKG dient eine EKG-Nummer.

Claims (12)

1. Verfahren zur Auswertung von gemessenen periodischen oder quasiperiodischen Signalen medizinischer Sensorsysteme durch Digitalisierung der Signale und Vergleich von Signalabschnitten der gemessenen Signale mit abge­ speicherten vergleichbaren Signalabschnitten, dadurch gekennzeichnet, daß die Perioden der gemessenen Signale auf eine vorbestimmte Periodendauer normiert werden und daß die mit einer bestimmten Abtastfrequenz digitalisier­ ten Werte eines Abschnitts der gemessenen und auf die vorbestimmte Periodendauer normierten Signale mit für dieselbe Abtastfrequenz gebildeten Werten eines ent­ sprechenden Abschnitts von in einer Datenbank abgespei­ cherten und auf dieselbe vorbestimmte Periodendauer nor­ mierten Signalen verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Signalabschnitte verschiedener Patienten miteinander ver­ glichen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für mehrkanalige Messungen Signale einzelner Sensor­ kanäle mit abgespeicherten Signalen vergleichbarer Sen­ sorkanäle verglichen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für jeden Abschnitt der gemessenen Signale mit den Signalen aller oder ausgewählter in der Datenbank abgespeicherter Signalmuster ein Korrelations­ koeffizient an einer Stelle oder mehreren Stellen berech­ net und als Maß für die Ähnlichkeit der verglichenen Sig­ nale verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus ermittelten Korrelationskoeffizienten eine Korrela­ tionsfunktion gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung mehrerer Korrelationskoeffizienten deren Maximum als Maß für die Ähnlichkeit der vergliche­ nen Signale verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in der Datenbank abgespeicherten Signalmuster bereits als auf die bestimmte Periodendauer normierte und entsprechend digitalisierte Daten abgelegt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei EKG-Signalen die Periodendauer im Signalmuster entsprechend dem RR-Abstand und/oder dem Mittelwert mehrerer RR-Abstände gewählt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei EKG-Signalen mit feststellbarer R-Zackenposition der Korrelationskoeffizient nur an der Stelle ermittelt wird, an der die R-Zacken der zu ver­ gleichenden Bereiche übereinander liegen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei EKG-Signalen ohne feststellbare R- Zackenposition die Korrelationsfunktion über mindestens eine Periode des EKG-Signals berechnet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß den in der Datenbank abgespeicherten Signalen medizinische Befunde zugeordnet sind und daß nach einer Vielzahl vorgenommener Vergleiche aus einer Häufung von Übereinstimmungen mit abgespeicherten Signa­ len mit einem bestimmten medizinischen Befund eine Wahr­ scheinlichkeit für das Vorliegen des bestimmten medizi­ nischen Befunds bezüglich der gemessenen Signale herge­ leitet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Abschnitte so gewählt wird, daß sie nur einen Teil einer diagnostischen Information enthalten.