DE10014077B4

DE10014077B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität eines Lebewesens

Info

Publication number: DE10014077B4
Application number: DE2000114077
Authority: DE
Inventors: Wei Zhang
Original assignee: Fresenius Medical Care Deutschland GmbH
Current assignee: Fresenius Medical Care Deutschland GmbH
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: DE10014077A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Atemaktivität eines Lebewesens, bei dem Pulswellenlaufzeiten, die vom Herzschlag erzeugte Druckwellen zum Erreichen einer vorbestimmten, peripheren Körperstelle jeweils benötigen, bestimmt werden, im zeitlichen Verlauf der Pulswellenlaufzeiten periodische Schwankungen bestimmt werden und aus den periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten die Atemaktivität bestimmt wird, wobei
Amplituden der periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten bestimmt und aus den Amplituden Atemstillstände erkannt werden,
eine zeitliche Länge der Atemstillstände anhand der Zeitdauer bestimmt wird, in der die Amplituden unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegen, und wobei
der Schwellenwert in Abhängigkeit vorangegangener Amplitudenwerte bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Atemaktivität eines Lebewesens. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität eines Lebewesens.
Als ein wichtiger Kreislaufparameter in der Medizin wird die Respiration gemessen und zur Patientüberwachung und Diagnostik von Schlaf- und Atemregulationsstörungen bei Erwachsenen und Kleinkindern im Schlaflabor verwendet. Heutzutage wird die Atmung häufig mit Hilfe eines Thermistors, der die Temperaturdifferenz zwischen dem ein- und ausgeatmeten Luftstrom mißt, oder mit Hilfe der Induktionsplethysmographie oder der Impedanzpneumographie bestimmt, wobei Atembewegungen an Bauch und Brust erfaßt werden. Diese Methoden sind jedoch apparatetechnisch relativ aufwendig.

Ebenfalls bekannt ist es, über die Erfassung und Auswertung des Puls- und Herzfrequenzsignals Aussagen über die Atmung zu treffen. Eine erste Verfahrensweise hierzu ist die Extraktion der Einhüllenden des Pulssignals mittels Bandpaßfilter. Eine zweite Verfahrensweise zeichnet sich dadurch aus, daß die Atemfrequenz durch eine Spektralanalyse des Herzfrequenzsignales bestimmt wird (vgl. EP 0 875 199 A1 ). Diese Methoden haben jedoch den Nachteil, daß die Qualität des aus dem Pulssignal extrahierten Atemsignals patientenabhängig und insbesondere kritisch ist, um bei der Erkennung von Atemstillstand, der sogenannten Apnoe-Erkennung, verwertet zu werden.

In der Publikation „E. David: Eine Methode zur fortlaufenden differentiellen Registrierung der Pulswellengeschwindigkeit am Menschen", in Zeitschrift für Biologie, Bd. 115, 02.06.1965, S. 118 bis 133, ist weiterhin der Zusammenhang beschrieben, daß die Pulswellengeschwindigkeit und die Pulsfrequenz durch die Atmung bedingte Schwankungen aufweist und diese Schwankungen bei Apnoen fast völlig verschwinden. Ein konkreter Weg, hieraus zuverlässig und präzise das Vorliegen von Atemstillständen sowie deren zeitliche Länge zu bestimmen, ohne hierbei systematischen Fehlern durch nicht-respiratorisch bedingte Schwankungen im Verlauf der Pulswellenzeiten zu unterliegen, ist in dieser Schrift jedoch nicht angegeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität anzugeben, die die Nachteile aus dem Stand der Technik vermeiden. Insbesondere soll mit einfachen Mitteln ein die Atemaktivität besser kennzeichnendes Atmungssignal bereitgestellt werden, das eine präzise und zuverlässige Bestimmung von Apnoen und deren Länge erlaubt.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit einer peripheren Körperstelle ist eine vom Herzen entfernt liegende Körperstelle wie z.B. ein Ohrläppchen oder ein Finger oder eine Zehe gemeint. Mit dem Begriff Pulswellenlaufzeit wird also die Zeit bezeichnet, die eine durch den Herzschlag erzeugte Druckwelle im Blutkreislauf braucht, bis sie die genannte periphere Stelle des Körpers erreicht. Aus dem zeitlichen Verlauf bzw. aus den periodischen Schwankungen der bestimmten Pulswellenlaufzeiten werden die die Atemaktivität kennzeichnenden Daten extrahiert. Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen der Pulswellenlaufzeit und dem Blutdruck besteht und der Blutdruck eine atemabhängige Schwankung aufweist. Neben den dominanten, herzschlagsynchronen Blutdruckschwankungen, die als Rhythmus erster Ordnung eingestuft werden können, treten periodisch wiederkehrende Blutdruckschwankungen zweiter Ordnung auf, die auf die mechanische Tätigkeit von herzunabhängigen Strukturen zurückzuführen sind. Diese Schwankungen zweiter Ordnung stehen vor allem im Zusammenhang mit der Atmung. Die atemabhängige Variation des Blutdrucks wird teilweise durch eine zentrale Kopplung von Atmung und Kreislauf über das autonome Nervensystem bedingt, teilweise aber auch mechanisch durch die atembedingten Kapazitätsschwankungen der Lungengefäße hervorgerufen, die eine direkte Druckmodulation des der linken Herzhälfte zugeführten Blutes bewirken. Aus den dementsprechend hervorgerufenen Schwankungen der Pulswellenlaufzeiten werden bei dem vorliegenden Verfahren die die Atmung kennzeichnenden Daten gewonnen.

Insbesondere kann zur Bestimmung der Pulswellenlaufzeiten das zeitliche Auftreten der Herzschläge vorzugsweise mittels eines EKG, also eines Elektrokardiogramms und das zeitliche Auftreten der jeweils zugehörigen Druckwellen an der peripheren Körperstelle erfaßt werden, wobei die Pulswellenlaufzeiten als Differenz der Zeitpunkte des Auftretens der Druckwellen an der peripheren Körperstelle und der Zeitpunkte des Auftretens der zugehörigen Herzschläge bestimmt werden. Die Atemaktivität wird also aus einer Kombination von Messung des Herzschlages und Messung des Pulsschlages an einer peripheren Körperstelle ermittelt. Das Auftreten der Druckwelle an der peripheren Körperstelle kann mittels eines PPG, d.h. Photoplethysmograph erfaßt werden.

Als die Atemaktivität kennzeichnende Daten werden vorzugsweise die Dauer eines Atemzyklus bestimmt, die Atemfrequenz ermittelt und/oder Atemstillstände erkannt. Die Dauer eines Atemzyklus kann aus den periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten bestimmt werden. Insbesondere kann die Dauer eines Atemzyklus als zeitliche Differenz des Auftretens zweier aufeinanderfolgender Extremwerte des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten bestimmt werden. Der aufsteigende Ast einer Schwankung des Pulswellenlaufzeitenverlaufs entspricht einem Einatmen und der absteigende Ast der entsprechenden Schwankung einem Ausatmen. Die Dauer einer Atmungsperiode kann als der zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Maxima bzw. zweier aufeinanderfolgender Minima im zeitlichen Verlauf der Pulswellenlaufzeiten bestimmt werden.

Insbesondere werden zur Bestimmung der Dauer eines Atemzyklus die gemessenen Pulswellenlaufzeiten von einem Mittelwert der vorhergehenden Pulswellenlaufzeiten befreit. Mit dem Ausdruck „vom Mittelwert befreit" ist hierbei gemeint, daß von einem jeweils aktuellen Meßwert der Pulswellenlaufzeit der Mittelwert aus n vorherigen Messungen der Pulswellenlaufzeit subtrahiert wird. In dem Verlauf der auf diese Weise vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeiten werden zunächst die Extremwerte gesucht und anschließend der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Extremwerten gleicher Ordnung, d.h. zweier aufeinanderfolgender Maxima oder zweier aufeinanderfolgender Minima, gemessen. Dieser Zeitabstand entspricht dann einer Atemperiode.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Atemfrequenz aus der jeweils ermittelten Dauer eines Atemzyklus ermittelt. Dies besitzt den Vorteil, daß stets die aktuelle Atemfrequenz bestimmt wird. Bezeichnet T die Länge der momentanen Atemperiode in Sekunden, so ist die zugehörige Atemfrequenz AF in Atemzüge pro Minute gegeben durch

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung kann die Atemfrequenz mittels einer Spektralanalyse der Pulswellenlaufzeiten bestimmt werden. Hierdurch kann eine durchschnittliche Atemfrequenz über eine bestimmte Zeitdauer ermittelt werden. Die zuvor beschriebene Ausführung besitzt demgegenüber den Vorteil, daß stets die momentane Frequenz erhalten wird.

Insbesondere werden zunächst die Pulswellenlaufzeiten in der zuvor beschriebenen Weise von einem Mittelwert vorangehender Pulswellenlaufzeiten befreit und in dem sich ergebenden Verlauf der vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeitsignal die Extremwerte bestimmt. Aus den Minima und den jeweils darauf folgenden Maxima werden die aktuellen Amplituden des Pulswellenlaufzeitsignals zwischen den detektierten Punkten berechnet. Zur Erkennung von Atemstillständen wird geprüft, ob die Amplituden über ein vorgegebenes Zeitfenster einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreiten oder nicht. Ist ersteres der Fall, kann davon ausgegangen werden, daß ein Atemstillstand vorliegt. Die zeitliche Länge des Atemstillstandes wird als die Zeitdauer bestimmt, in der die Amplitude des vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeitsignals kontinuierlich unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt.

Der Schwellenwert, mit dem die Amplituden des Pulswellenlaufzeitsignals verglichen werden, kann auf verschiedene Weisen festgelegt werden. Vorzugsweise wird der Schwellenwert in Abhängigkeit vorangegangener Amplitudenwerte bestimmt. Insbesondere kann er basierend auf dem Amplitudenverlauf des in der zuvor beschriebenen Weise vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeitensignals berechnet werden, nämlich aus dem Produkt der Summe der entsprechenden Amplituden mit einem Faktor, der als Erfahrungswert festgelegt werden kann. Gegebenenfalls könnte der Schwellenwert auch als Bruchteil eines Mittelwerts der vorangegangenen Amplituden festgelegt werden.

Das Zeitfenster, über das die jeweils aktuellen Amplituden mit dem Schwellenwert verglichen werden, kann vorzugsweise in Abhängigkeit der Dauer zumindest eines vorangegangenen Atemzyklus bestimmt werden. Insbesondere kann die Länge des Zeitfensters als Summe der jeweils letzten beiden Atemperioden bzw. deren Dauer festgelegt werden. Eine Atemperiode kann dabei als Zeitabstand zwischen dem Auftreten zweier aufeinanderfolgender Maxima oder zweier aufeinanderfolgender Minima im zeitlichen Verlauf des Pulswellenlaufzeitsignals bestimmt werden.

Zur Apnoeerkennung, d.h. Atemstillstandserkennung, kann auch der Mittelwert des Pulswellenlaufsignals berücksichtigt werden. Bei Apnoen nimmt dieser häufig ab, so daß Atemstillstandszeitpunkte durch einen Vergleich des Mittelwerts der Pulswellenlaufzeiten mit einem Schwellenwert bestimmt werden können. Diese Vorgehensweise kann alternativ, vorzugsweise jedoch zusätzlich zu dem zuvor beschriebenen Vergleich der Amplituden mit einem Schwellenwert vorgesehen werden, um eine größere Sicherheit bei der Erkennung von Atemstillständen zu erreichen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung kann zur Bestimmung der Atemtätigkeit das Pulswellenlaufzeitensignal bandpaßgefiltert werden, wobei vorzugsweise eine Mittelfrequenz und die Bandbreite der Filterung an die Variation der Atemfrequenz angepaßt werden, um Unterschiede der Atemfrequenz beispielsweise bei Erwachsenen und Kindern zu berücksichtigen. Typischerweise kann ein Bandpaßfilter mit einem Frequenzband von 0,10 Hz bis 0,40 Hz verwendet werden. Die Auswertung, d.h. die Ermittlung der momentanen Atemfrequenz, die Erkennung von Apnoen und die Bestimmung der Zeitdauer von Apnoen erfolgt analog der zuvor beschriebenen Art und Weise über Zeitfenster und Schwellenwert wie bei dem genannten Mittelwertverlauf.

Die Pulswellenlaufzeit-Einrichtung kann eine Einrichtung zur Erfassung des Herzschlags, insbesondere eine Elektrokardiogramm-Einrichtung, sowie eine Einrichtung zur Erfassung der vom Herzschlag erzeugten Druckwellen an der peripheren Körperstelle, insbesondere einen Photoplethysmograph aufweisen. Eine Zeitdifferenz-Einrichtung berechnet die zeitliche Differenz zwischen dem Auftreten eines Herzschlags und dem Auftreten der zugehörigen Druckwelle an der peripheren Körperstelle und damit die Pulswellenlaufzeit. Die Pulswellenlaufzeit-Einrichtung kann dabei derart ausgebildet sein, daß sie die sogenannte R-Zacke als Zeitpunkt des Herzschlages und einen eindeutigen Anstiegspunkt in der Pulskurve als Zeitpunkt des Auftretens der Druckwelle an der peripheren Körperstelle festlegt.

Die Einrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität umfaßt vorzugsweise eine Atemzyklus-Einrichtung zur Bestimmung der Dauer eines Atemzyklus und eine Atemfrequenz-Einrichtung zur Bestimmung der Atemfrequenz. Die Atemzyklus-Einrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß sie in der zuvor beschriebenen Art und Weise die Dauer eines Atemzyklus aus den periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs des Pulswellenlaufzeitsignals, insbesondere aus den Extremwerten des vom Mittelwert der Pulswellenlaufzeiten bereinigten zeitlichen Verlauf des Pulswellenlaufzeitsignals berechnet. Die Atemfrequenz-Einrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß sie die jeweils momentane Atemfrequenz in der zuvor beschriebenen Art und Weise aus der Dauer des jeweiligen Atemzyklus bestimmt.

Vorzugsweise ist eine Extremwert-Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung von Extremwerten im Verlauf des Pulswellenlaufzeitsignals und eine Zeitdifferenz-Einrichtung zur Bestimmung der zeitlichen Differenz zwischen dem Auftreten aufeinanderfolgender Extremwerte, insbesondere aufeinanderfolgender Maxima oder aufeinanderfolgender Minima, vorgesehen. Es kann eine Mittelwert-Einrichtung zur Bildung eines Mittelwerts der Pulswellenlaufzeiten und eine Subtraktions-Einrichtung zur Subtraktion des Mittelwerts von den Pulswellenlaufzeiten vorgesehen sein. Die Subtraktionseinrichtung kann der Extremwert-Bestimmungseinrichtung vorgeschaltet sein, so daß die Extremwert-Bestimmungseinrichtung die Extremwerte im vom Mittelwert bereinigten Verlauf des Pulswellenlaufzeitsignals bestimmt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung kann zur Bestimmung der Atemfrequenz eine Spektralanalyse-Einrichtung zur Spektralanalyse der Pulswellenlaufzeiten vorgesehen sein.

Die Amplituden-Einrichtung kann der zuvor genannten Subtraktions-Einrichtung nachgeschaltet sein, so daß die Amplituden im vom Mittelwert bereinigten Verlauf des Pulswellenlaufzeitsignals bestimmt werden. Die Amplituden-Einrichtung selbst kann als Subtraktions-Einrichtung ausgebildet sein, die der zuvor beschriebenen Extremwert-Bestimmungseinrichtung nachgeschaltet ist und die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Extremwerten, d.h. zwischen einem Maximum und einem Minimum berechnet.

Ferner ist vorteilhafterweise eine Zeitvorgabe-Einrichtung zur Vorgabe einer Vergleichszeit und eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der bestimmten Amplituden mit dem vorgegebenen Schwellenwert über die vorgegebene Vergleichszeit vorgesehen. Stellt die Vergleichseinrichtung fest, daß die Amplitudenwerte über die vorgegebene Vergleichszeit kleiner als der Schwellenwert sind, aktiviert sie eine Alarm-Einrichtung, die einen entsprechenden Alarm gibt, der Apnoe anzeigt.

Die Schwellenwert-Einrichtung besitzt vorzugsweise eine Summier-Einrichtung zur Aufsummierung vorangegangener Amplituden und eine Skalier-Einrichtung zur Multiplikation der Amplitudensumme mit einem Faktor, der als Erfahrungswert in die Skalier-Einrichtung eingebbar ist. Die Zeitvorgabe-Einrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß die Vergleichszeit an die aktuelle Atemperiode angepaßt wird, insbesondere weist sie eine Summier-Einrichtung zur Aufsummierung vorangegangener Atemzyklen auf.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, daß ein vorzugsweise adaptiver, digitaler Bandpaßfilter vorgesehen ist, mit Hilfe dessen der Atemrhythmus aus dem Pulswellenlaufzeitsignal extrahiert wird. Das Frequenzband des Bandpaßfilters beträgt typischerweise zwischen 0,1 Hz und 0,4 Hz. Adaptiv meint dabei, daß die Mittelfrequenz und die Bandbreite des Filters an die Variation der Atemfrequenz angepaßt werden. Ein solcher Filter kann mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors, einem sogenannten DSP realisiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine prinzipielle Flowchart-Darstellung, die die Erfassung der Atemtätigkeit gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung zeigt,
3 eine Darstellung des Pulswellenlaufzeitsignals gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung über 60 Sekunden, wobei die Pulswellenlaufzeiten in Millisekunden über der Zeit aufgetragen sind, die viereckigen Punkte die diskreten Zeitpunkte für die Bestimmung der Pulswellenlaufzeit angeben und die ein dem Pulswellenlaufzeitsignal zugrunde liegenden Pulssignale an einem Zeigefinger des Probanden gemessen wurden,
4 den Verlauf des Pulswellenlaufzeitsignals, der die Erkennung eines Atemstillstands verdeutlicht, wobei in 4a ähnlich 3 das Pulswellenlaufzeitsignal in Millisekunden über der Zeit aufgetragen ist und in 4b der Amplitudenverlauf des vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeitsignals aus 4a ebenfalls über der Zeit aufgetragen ist und das dem Pulswellenlaufzeitsignal zugrunde liegende Pulssignal am Zeigefinger eines Probanden gemessen wurde.
5 einen Vergleich eines nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ermittelten Pulswellenlaufzeitsignals zur Bestimmung der Atmungsaktivität und insbesondere des Atemstillstands zu einem gefilterten Pulssignal, mit Hilfe dessen nach dem Stand der Technik die At mungsaktivität bestimmt wurde, wobei 5a ein Pulssignal in Volt über der Zeit aufgetragen zeigt, 5b ein durch Filterung des Pulssignales aus 5a mit einem Bandpaßfilter erhaltenes gefiltertes Pulssignal in Volt über der Zeit aufgetragen zeigt und 5c ein nach der vorliegenden Erfindung ermitteltes Pulswellenlaufzeitsignal zeigt, das am selben Patienten zur selben Zeit gemessen wurde und in Millisekunden über der Zeit aufgetragen ist, wobei in allen drei Darstellungen 5a bis 5c eine Atemstillstandszeit zwischen 60 und 75 Sekunden als Apnoebereich eingezeichnet ist.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung umfaßt eine Elektrokardiogramm-Einrichtung 1 und eine Photoplethysmogramm-Einrichtung 2, die als Pulsmeßeinrichtung dient. Die beiden Einrichtungen 1 und 2 sind an eine zentrale Auswerte- und Recheneinheit 3 angeschlossen, die eine Vielzahl von Funktionen bei der Auswertung der Signale der Einrichtungen 1 und 2 sowie der weiteren Bestimmung und Auswertung des daraus abgeleiteten Pulswellenlaufzeitsignales erfüllt. Die Auswerte- und Recheneinheit 3 kann in Form eines Mikroprozessors, der mit Software programmierbar ist, verwirklicht sein.
Wie 2 zeigt, werden die EKG-Einrichtung 1 und die PPG-Einrichtung 2 an einen Patienten angeschlossen, wobei die PPG-Einrichtung 2 den Puls des Patienten an einer peripheren Körperstelle, insbesondere einem Finger, einer Zehe oder einem Ohrläppchen abgreift. Die Elektrokardiogramm-Einrichtung 1 liefert ein den Herzschlag angebendes Signal, das in 2 mit EKG bezeichnet ist. Das EKG-Signal stellt die Aufzeichnung der durch Herzerregung verursachten Potentialdifferenz an der Körperoberfläche in Abhängigkeit von der Zeit dar. Einem Herzschlag entsprechend besitzt das EKG-Signal einen charakteristischen Ausschlag, der in 2 als R-Zacke bezeichnet ist.
Die Photoplethysmograph-Einrichtung 2 liefert ein Signal, welches das Auftreten der von dem entsprechenden Herzschlag verursachten Druckwelle an der peripheren Körperstelle angibt. Wie 2 zeigt, besitzt der Puls an der peripheren Körper stelle einen charakteristischen Anstieg, der dem Eintreffen der Druckwelle entspricht. Zur Berechnung der jeweiligen Pulswellenlaufzeit wird zum einen auf das EKG-Signal und zum anderen auf das Pulssignal zurückgegriffen. Die R-Zacke des EKG-Signales ist der erste Bezugspunkt E (t_n), der zweite Bezugspunkt ist der Auftritt des Pulses an der peripheren Körperstelle, nämlich der eindeutige Anstiegspunkt P (t_n+1) in der Pulskurve gemäß 2. Die momentane Pulswellenlaufzeit PWLZ (t_n) wird als Zeitabstand zwischen den genannten Bezugspunkten berechnet, also PWLZ(tn) = P(tn+1) – E(tn).
Die Pulswellenlaufzeiten werden kontinuierlich, vorzugsweise für jeden Herzschlag gemessen bzw. bestimmt.
Wie 3 zeigt, weist das Pulswellenlaufzeitsignal, nachfolgend PWLZ-Signal eine periodische Schwankung auf, die mit der Atemtätigkeit übereinstimmt. Dabei entspricht jeder aufsteigende Ast einer Schwankung einem Einatmen und jeder absteigende Ast einem Ausatmen. Diese Korrelation des PWLZ-Signales mit der Atmung erklärt sich aus der Tatsache, daß ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen der Pulswellenlaufzeit und dem Blutdruck besteht und letzter wiederum atmungsabhängige Schwankungen zeigt.
Aus dem in der beschriebenen Weise bestimmten PWLZ-Signal bestimmt die zentrale Auswerte- und Recheneinheit 3 zunächst die Dauer des jeweiligen Atmungszyklus. Hierfür bereinigt die Auswerte- und Recheneinheit 3 das PWLZ-Signal zunächst vom Mittelwert vorangehender Pulswellenlaufzeiten. Insbesondere wird hierzu vom jeweils aktuellen Meßwert der Pulswellenlaufzeit der Mittelwert aus einer Anzahl n vorheriger Messungen der Pulswellenlaufzeiten subtrahiert. Die Auswerte- und Recheneinheit 3 bestimmt in dem vom Mittelwert befreiten PWLZ-Signal die lokalen Maxima und berechnet anschließend den Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maxima. Dieser Zeitabstand T wird als momentane Atemperiode in Sekunden festgelegt.
Die zentrale Auswerte- und Recheneinheit 3 bestimmt aus der jeweils momentanen Dauer des Atemzyklus die zugehörige Atemfrequenz AF in Atemzüge pro Minute und zwar folgendermaßen:
Die auf diese Weise bestimmte Atemfrequenz AF entspricht stets der jeweils aktuellen Atemfrequenz. Diese kann im zeitlichen Verlauf über die Eingabe/Ausgabe-Einheit 4 dargestellt werden. Gegebenenfalls kann auch ein Mittelwert aus einer vorgegebenen Anzahl von berechneten Atemfrequenzen bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung kann eine durchschnittliche Atemfrequenz über eine bestimmte Zeitdauer durch eine Spektralanalyse des PWLZ-Signales bestimmt werden (vgl. 2).
Ferner erkennt die zentrale Auswerte- und Recheneinheit 3 Apnoen, d.h. Atemstillstände und bestimmt die zeitliche Länge von Apnoen. Hierzu bestimmt die zentrale Auswerte- und Recheneinheit 3 zunächst in dem in der zuvor beschriebenen Weise vom Mittelwert bereinigten PWLZ-Signal die auftretenden Minima und Maxima und berechnet die jeweils aktuelle Amplitude als Differenz zwischen jeweils aufeinanderfolgenden Minima und Maxima. In Verbindung mit der jeweils zugehörigen, ebenfalls bestimmten Periodendauer berechnet die Auswerte- und Recheneinheit 3 hieraus den aktuellen Amplitudenverlauf, wie er in 4b gezeigt ist. Danach prüft die Auswerte- und Recheneinheit 3, ob die Amplitude einen vorgegebenen Schwellenwert über ein gegebenes Zeitfenster unterschreitet. Ist dies der Fall, gibt die Auswerte- und Recheneinheit 3 über die Ausgabe-Einheit 4 ein Alarmsignal ab. Die Auswerte- und Recheneinheit bestimmt den Schwellenwert basierend auf dem Amplitudenverlauf des vom Mittelwert befreiten PWLZ-Signals. Konkret berechnet die Auswerte- und Recheneinheit 3 den Schwellenwert (vgl. 4b) aus dem Pro dukt der Summe einer Anzahl n vorhergehender Amplituden mit einem Faktor, der als Erfahrungswert festgelegt wird. Dabei muß die Amplitude über eine vorgegebene Zeit unterhalb des Schwellenwertes liegen, damit ein Alarmsignal abgegeben wird. Dieses Zeitfenster wird von der Auswerte- und Recheneinheit 3 basierend auf dem originalen PWLZ-Signal bestimmt. Insbesondere summiert die Auswerte- und Recheneinheit 3 die Dauer der beiden letzten Atemperioden vor der Unterschreitung des Schwellenwertes. Eine Atemperiode ist dabei definiert als der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maxima in dem PWLZ-Signal.
In vorteilhafter Weise bestimmt die zentrale Auswerte- und Recheneinheit 3 auch die zeitliche Länge von Apnoen. Hierzu wird die Zeitdauer bestimmt, in der die Amplitude des vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeitsignals kontinuierlich unter dem zuvor beschriebenen Schwellenwert liegt. Diese Zeitdauer entspricht der zeitlichen Länge eines Atemstillstands.
Bei dem in 4a gezeigten Verlauf des PWLZ-Signals tritt bei einer Zeit von 60 Sekunden Apnoe ein. Wie 4b zeigt, fällt hier die Amplitude unter den vorgegebenen Schwellenwert. Dementsprechend wird von der Auswerte- und Recheneinheit 3 zur Bestimmung des Zeitfensters die beiden letzten Atemperioden vor der Zeit 60 Sekunden bestimmt. Das etwa bei 48 Sekunden liegende Maximum des PWLZ-Signales sowie das etwa bei 58 Sekunden liegende Maximum des PWLZ-Signales aus 4a werden hierzu herangezogen, so daß im konkreten gezeigten Fall ein Zeitfenster von 10 Sekunden vorgegeben wird. Bleibt die Amplitude des vom Mittelwert bereinigten PWLZ-Signales über 10 Sekunden unter dem Schwellenwert, wird Alarm ausgelöst, im gezeigten Fall gemäß der 4 etwa zum Zeitpunkt 70 Sekunden. Die zeitliche Länge der Apnoe beträgt ca. 13 Sekunden.
Die 4b zeigt einen gleitenden Mittelwert, der einen Durchschnittswert aus jeweils zwei Mittelwerten darstellt. Dieser gleitende Mittelwert kann somit, wie der Mittelwert selbst, ebenso zur Apnoeerkennung verwendet werden.
Als Alternative kann der Atemrhythmus durch einen adaptiven digitalen Bandpaßfilter aus dem PWLZ-Signal extrahiert werden (vgl. 2).
Im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem eine Atemmessung über ein gefiltertes Pulssignal erfolgt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäß arbeitenden Vorrichtung die Atemaktivität eines Probanden wesentlich präziser und zuverlässiger bestimmt werden. Wie 5 zeigt, zeigt das PWLZ-Signal zu Zeiten eines Atemstillstandes, der in der Figur mit Apnoe gekennzeichnet ist, einen deutlich wahrnehmbaren Abfall der Amplituden der periodischen Schwankungen des PWLZ-Signales und darüber hinaus auch einen Rückgang des Mittelwertes des PWLZ-Signales (vgl. 5c). Im Vergleich hierzu ist der Zeitraum des Atemstillstandes aus dem entsprechenden Pulssignal des gleichen Probanden, das in 5a gezeigt ist, nur schwer zu erkennen. Das gefilterte Pulssignal gemäß 5b zeigt keine klar erkennbare Anormalität, die Amplitude des gefilterten Pulssignales nimmt während der Apnoephase eher zu, während der Atemstillstand durch eine Abnahme der Amplituden im PWLZ-Signal gemäß 5c deutlich zu erkennen ist.
Vorteilhaft ist an dem beschriebenen Verfahren, daß nicht nur eine Messung der Atemfrequenz, sondern auch eine präzise Apnoe-Erkennung erfolgen kann. Sind Vorrichtungen zur Elektrokardiogramm- und Pulsmessung vorhanden, ist keine zusätzliche Sensorik notwendig. Die Erfindung kann isoliert genutzt oder in Behandlungsgeräte aller Art, auch für den Homecare-Bereich, integriert werden, wenn eine Überwachung der Atmung erwünscht wird.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Atemaktivität eines Lebewesens, bei dem Pulswellenlaufzeiten, die vom Herzschlag erzeugte Druckwellen zum Erreichen einer vorbestimmten, peripheren Körperstelle jeweils benötigen, bestimmt werden, im zeitlichen Verlauf der Pulswellenlaufzeiten periodische Schwankungen bestimmt werden und aus den periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten die Atemaktivität bestimmt wird, wobei Amplituden der periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten bestimmt und aus den Amplituden Atemstillstände erkannt werden, eine zeitliche Länge der Atemstillstände anhand der Zeitdauer bestimmt wird, in der die Amplituden unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegen, und wobei der Schwellenwert in Abhängigkeit vorangegangener Amplitudenwerte bestimmt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das zeitliche Auftreten der Herzschläge und das zeitliche Auftreten der jeweils zugehörigen Druckwellen an der peripheren Körperstelle, insbesondere an einem Finger, einer Zehe oder einem Ohrläppchen erfaßt und die Pulswellenlaufzeiten als Differenz der Zeitpunkte des zeitlichen Auftretens der Druckwellen an der peripheren Körperstelle und des Auftretens der zugehörigen Herzschläge bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus den periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten die Dauer eines Atemzyklus (T) und hieraus die jeweilige Atemfrequenz (AF) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dauer eines Atemzyklus (T) als zeitliche Differenz des Auftretens zweier aufeinanderfolgender Extremwerte, d.h. zweier Maxima oder zweier Minima, des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten bestimmt wird, wobei insbesondere zunächst die jeweils bestimmten Pulswellenlaufzeiten vom Mittelwert einer vorherbestimmten Anzahl vorangegangener Pulswellenlaufzeiten befreit werden, der zeitliche Verlauf der von diesem Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeiten bestimmt wird, in diesem aufeinanderfolgende Extremwerte bestimmt werden und hieraus die Dauer der jeweiligen Atemzyklen (T) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Atemfrequenz mittels einer Spektralanalyse der Pulswellenlaufzeiten bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei insbesondere die Pulswellenlaufzeiten von einem Mittelwert vorangehender Pulswellenlaufzeiten befreit werden, der zeitliche Verlauf dieser vom genannten Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeiten bestimmt wird, die periodischen Schwankungen und deren Amplituden des so bestimmten zeitlichen Verlaufs bestimmt und die Amplituden mit dem vorgegebenen Schwellenwert über eine vorgegebene Zeit verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung der zeitlichen Länge der Atemstillstände die Pulswellenlaufzeiten von einem Mittelwert vorangehender Pulswellenlaufzeiten befreit werden, der zeitliche Verlauf dieser vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeiten bestimmt wird, die periodischen Schwankungen und deren Amplituden des so bestimmten zeitlichen Verlaufs bestimmt werden, die Amplituden mit dem vorgegebenen Schwellenwert verglichen werden und die zeitliche Länge der Atemstillstände als die Zeitdauer bestimmt wird, in der die Amplituden des vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeitsignals kontinuierlich unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegen.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorgegebene Zeit in Abhängigkeit der Dauer (T) vorangegangener Atemzyklen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Atemstillstände in Abhängigkeit des Mittelwerts der Pulswellenlaufzeit, insbesondere durch Vergleich desselben mit einem Mittelwert-Schwellenwert, erkannt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erkennung der Atemstillständen die Pulswellenlaufzeiten bandpaßgefiltert werden, wobei vorzugsweise eine Mittelfrequenz und/oder eine Bandbreite der Filterung an eine Variation der Atemfrequenz angepaßt werden.
Vorrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität eines Lebewesens, mit einer Pulswellenlaufzeit-Einrichtung (1, 2, 3) zur Bestimmung von Pulswellenlaufzeiten, die vom Herzschlag erzeugte Druckwellen zum Erreichen einer vorbestimmten peripheren Körperstelle jeweils benötigen, einer Einrichtung (3) zur Bestimmung periodischer Schwankungen im zeitlichen Verlauf der Pulswellenlaufzeiten mit einer Amplituden-Einrichtung zur Bestimmung von Amplituden der periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten, sowie mit einer Einrichtung (3) zur Bestimmung der Atemaktivität aus den periodischen Schwankungen der Pulswellenlaufzeiten, wobei eine Schwellenwert-Einrichtung (3) zur Vorgabe eines Schwellenwertes und eine Vergleichswerteinrichtung zum Vergleich der Amplituden mit dem vorgegebenen Schwellenwert vorgesehen sind, wobei die Schwellenwert-Einrichtung derart ausgebildet ist, daß der Schwellenwert in Abhängigkeit vorangegangener Amplitudenwerte bestimmt wird, und wobei die Einrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität derart ausgebildet ist, daß Atemstillstände dann bestimmt werden, wenn die Amplitudenwerte unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegen.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Einrichtung (1) zur Erfassung des Herzschlags insbesondere eine Elektrokardiogramm-Einrichtung und eine Einrichtung (2) zur Erfassung von durch den Herzschlag erzeugten Druckwellen an der peripheren Körperstelle vorgesehen sind und die Pulswellenlaufzeit-Einrichtung (3) eine Zeitdifferenz-Einrichtung zur Bestimmung der zeitlichen Differenz zwischen dem zeitlichen Auftreten der Druckwellen an der peripheren Körperstelle und dem Auftreten der zugehörigen Herzschläge aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Atemzyklus-Einrichtung (3) zur Bestimmung der Dauer eines Atemzyklus aus den periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der Pulswellenlaufzeiten und eine Atemfrequenz-Einrichtung (3) zur Bestimmung der Atemfrequenz aus der jeweiligen Dauer eines Atemzyklusses vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Extremwert-Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung von Extremwerten im Verlauf der Pulswellenlaufzeiten vorgesehen ist und die Atemzykluseinrichtung (3) eine Zeitdifferenz-Einrichtung zur Bestimmung der zeitlichen Differenz zwischen dem Auftreten aufeinanderfolgender Extremwerte aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mittelwert-Einrichtung (3) zur Bildung eines Mittelwerts einer Anzahl von Pulswellenlaufzeiten und eine Subtraktions-Einrichtung (3) zur Subtraktion des Mittelwerts von den jeweiligen Pulswellenlaufzeiten vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Spektralanalyse-Einrichtung zur Spektralanalyse der Pulswellenlaufzeiten vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Amplituden-Einrichtung der Subtraktionseinrichtung zur Subtraktion des Mittelwerts von den jeweiligen Pulswellenlaufzeiten derart vorgeschaltet ist, daß die Amplituden der periodischen Schwankungen des zeitlichen Verlaufs der vom Mittelwert befreiten Pulswellenlaufzeiten bestimmt werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eine Zeitvorgabe-Einrichtung (3) zur Vorgabe einer Vergleichszeit vorgesehen ist und die Vergleichswerteinrichtung zum Vergleich der Amplituden mit dem vorgegebenen Schwellenwert die Amplituden über die vorgegebene Zeit mit dem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schwellenwert-Einrichtung (3) eine Summier-Einrichtung zur Aufsummierung vorangegangener Amplituden und eine Skalier-Einrichtung zur Multiplikation der Amplitudensumme mit einem Faktor besitzt und/oder die Zeitvorgabe-Einrichtung derart ausgebildet ist, daß sie die Vergleichszeit in Abhängigkeit der Dauer zumindest eines vorangegangenen Atemzyklus bestimmt, insbesondere eine Summier-Einrichtung zur Aufsummierung vorangegangener Atemzyklen besitzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein vorzugsweise adaptiver digitaler Bandpaßfilter zur Bandpaßfilterung der Pulswellenlaufzeiten vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zentrale, vorzugsweise softwareprogrammierbare Auswerte- und Recheneinheit (3) vorgesehen ist, die die Einrichtung zur Bestimmung periodischer Schwankungen im zeitlichen Verlauf der Pulswellenlaufzeiten, die Einrichtung zur Bestimmung der Atemaktivität, die Zeitdifferenz-Einrichtung, die Atemzyklus-Einrichtung, die Atemfrequenz-Einrichtung, die Extremwert-Bestimmungseinrichtung, die Mittelwert-Einrichtung, die Amplituden-Einrichtung, die Subtraktions-Einrichtung, die Schwellenwert-Einrichtung, die Zeitvorgabe-Einrichtung und/oder die Vergleichseinrichtung bildet.