DE69829621T2 - Verfahren und Gerät zur Unterdrückung von Artefakten in physiologischen Signalen - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernung von Artefakten aus physiologischen Signalen, und insbesondere die Verwendung eines Herzfrequenzwertes, welcher durch ein erstes physiologisches Signal bestimmt ist, welches unabhängig von einem zweiten physiologischen Signal für eine steuerbare Bandpassfilterung des ersten physiologischen Signals aufgenommen wird.
  • In einem System, welches Sensoren sowohl für die Aufnahme von Elektrokardiogrammsignalen (EKG) als auch Pulsoximetriesignalen (SpO2) aufweist, wird das EKG-Signal zur steuerbaren Bandpassfilterung des roten und infraroten Signals, welches durch das Pulsoxidmeter aufgenommen wird, verwendet. Als Ergebnis der vorliegenden Erfindung ist eine genauere Messung der Sauerstoffkonzentration im Blut und der Pulsfrequenz durch das Oxidmeter erhältlich, und die Anzahl an falschen Alarmierungen aufgrund falscher Messungen wird erheblich reduziert.
  • Wie Fachleuten bekannt ist, misst ein Pulsoximeter die Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes und die Pulsfrequenz mittels der Verwendung eines Sensors, welcher zwei LED's und einen Fotodioden-Detektor umfasst, welcher direkt zur genauen Durchleuchtung eines Teiles eines Patienten wie einem Finger oder einem Ohr angewendet wird. Die LED's des Sensors wenden eine Strahlung von zwei verschiedenen Wellenlängen wie üblicherweise Rot und Infrarot am Patienten an, wobei der Fotodioden-Detektor, welcher auf rotes und infrarotes Licht entsprechend reagiert, rot- und infrarot-elektrische Signale liefert, welche über Transmission oder Reflexion des Blutflusses des Patienten im Bereich zwischen den beiden LED's und dem Fotodioden-Detektor hervorgerufen werden. Je größer die Sauerstoffkonzentration des Blutes, desto geringer ist aufgrund der größeren Absorption des roten Lichtes durch das Blut des Patienten der Anteil des ausgesendeten roten Lichtes. Folglich können die erhaltenen roten und infraroten Signale verarbeitet werden, um einen gemessenen Indikator der Sauerstoffkonzentration des Blutes zu liefern. Zusätzlich kann durch die Verarbeitung der pulsierenden Komponente des erhaltenen Lichtsignals ebenfalls eine Messgröße der Pulsfrequenz des Patienten entnommen werden. Wie gut bekannt ist, beruht eine solche Verarbeitung der zu bestimmenden Sauerstoffkonzentration des Blutes auf dem Verhältnis der AC- und DC-Komponenten des roten Lichtes im Vergleich zum infraroten Licht, so dass gilt:
    Figure 00030001
  • Der resultierende Wert wird auf eine experimentell bestimmte Referenztabelle angewendet, um eine endgültige Bestimmung des ermittelten Messwertes der Sauerstoffkonzentration des Blutes zu liefern.
  • Wie gut bekannt ist, sind die Messwerte der Sauerstoffkonzentration des Blutes und der Pulsfrequenz, welche über optisch ermittelte Signale generiert wurden, bezüglich Ungenauigkeiten aufgrund von Artefakten höchst anfällig. Derartige Artefakte folgen normalerweise aus einer elektrischen Interferenz (Beleuchtung, elektro-chirurgische und andere elektrische Einrichtungen in der Nähe des Patienten), der Bewegung des Patienten (was eine relative Bewegung zwischen den LED's und dem Detektor des Sensors oder, sogar noch ungünstiger, der plötzliche Eintritt des Raumlichtes in den Bereich des Fotodioden-Detektors bewirkt), ebenso wie die Tatsache, dass die AC-Komponente der ermittelten Signale (welche aus der pulsierenden Charakteristik des Blutes folgt) sehr klein ist, nämlich normalerweise nur ungefähr 1%–5% des DC-Wertes des erhaltenen Signals. Folglich wirken sich derartige Artefakte sehr nachteilhaft auf genaue Messungen der Pulsoximetrie aus, und können darüber hinaus zu dem beunruhigenden Problem von falschen Alarmierungen führen.
  • Die Patentschrift US 4955397 mit dem Titel „Motion Artefct Rejection System for Pulse Oximeters", veröffentlicht am 11.09.1990, offenbart eine Bandpass-Filtertechnik (BPF) zum Entfernen von Geräusch-Artefakten aus den Pulsoximetriesignalen. Insbesondere werden die AC-Komponenten von jedem der erhaltenen roten und infraroten Signale zunächst durch einen BPF gefiltert, welcher in Bezug auf die erwartete Herzfrequenz breitbandig abgestimmt ist. Der Ausgang des BPF wird an eine Schaltung zur Frequenzbestimmung geliefert, dessen Ausgang daraufhin verwendet wird, den BPF zu veranlassen, die Frequenz zu verfolgen, welche durch die Schaltung zur Frequenzbestimmung bestimmt wurde. Die Theorie dieser Technik beruht darauf, das der größte Teil der Energie (und der Information) im AC-Signal in der Grundfrequenz enthalten ist, und da die Grundfrequenz der Pulsfrequenz entsprechen sollte, kann die Schaltung zur Frequenzbestimmung die Pulsfrequenz als Grundfrequenz bestimmen und den BFP steuern, um alle anderen Frequenzen gemeinsam mit den Artefakten auszuschließen. Nachteilhafterweise ist es leicht möglich, dass die Grundfrequenz, welche durch die Schaltung zur Frequenzbestimmung bestimmt wurde, tatsächlich ein Artefakte-Signal ist, so wie eines welches durch eine elektrische Einrichtung erzeugt wird, und das Oximeter dazu veranlasst, das Artefakte-Signal zu verarbeiten und eine fehlerhafte Information auszugeben. Folglich ist diese Technik nicht wünschenswert.
  • Die Patentschrift US 4,928,692 mit dem Titel „ Method and apparatus for detecting optical pulses", veröffentlicht am 29.05.1990, offenbart eine Technik, worin der R-Wellenteil der EKG-Wellenform des Patienten zeitgleich mit optischen Signalen, welche durch ein Pulsoximeter erhalten wurden, korreliert werden. Die Korrelation wird dazu verwendet, ein Freigabesignal für die Verarbeitung des empfangenen optischen Signals durch das Oximeter auszugeben. Die Theorie beruht darauf, dass die Pulskomponente des optischen Signals die Information enthält, und das Auftreten des optischen Pulses vorhergesagt werden kann, um einer EKG-R-Welle mit einem bestimmten Betrag zu folgen, wobei eine selektive Zeitvorgabe der Oximeterfreigabe die Artefakte davor bewahrt, dem Oximeter zugeführt und irrtümlicherweise verarbeitet zu werden. Nachteilhafterweise können Artefakte zu jeder Zeit auftreten und sind normalerweise auf keine Weise korreliert, um irgendeine Relation zum Auftreten einer EKG-R-Welle zu erhalten, womit diese Technik nicht wünschenswert ist.
  • Die Erfindung ist in den anhängigen Ansprüchen festgelegt.
  • Gemäß den Gesetzmäßigkeiten der vorliegenden Erfindung wird ein Herzfrequenzwert, welcher mittels eines ersten physiologischen Signals bestimmt wurde, welches unabhängig von einem zweiten physiologischen Signal ermittelt wurde, für eine steuerbare Bandpassfilterung des ersten physiologischen Signals verwendet. In einem System, welches Sensoren zur unabhängigen Aufnahme sowohl von Elektrokardiogrammsignalen (EKG) als auch von Pulsoximetriesignalen (SpO2) aufweist, wird ein Herzfrequenzwert, welcher aus dem EKG-Signal bestimmt wurde, zur steuerbaren Bandpassfilterung des roten und infraroten SpO2-Signals verwendet.
  • Als ein Ergebnis der Erfindung kann eine genauere Messung des Sauerstoffgehaltes des Blutes und der Pulsfrequenz durch ein Oximeter erreicht werden, wobei die Anzahl falscher Alarmierungen aufgrund fehlerhafter Messungen erheblich reduziert wird.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Herzfrequenzwert, welcher aus dem EKG-Signal abgeleitet wird, zur Bestimmung der Hauptfrequenz des Herzschlages verwendet. Nach der Bestimmung der Hauptfrequenz des Herzschlages weist ein Bandpassfilter (BPF) mit einer Zentralfrequenz, welche dem Mittel der Herzschlagfrequenz entspricht, ein oder mehrere seiner Filter-Charakteristika auf, welche durch den Wert der ermittelten Herzschlagfrequenz gesteuert werden, um die roten und infraroten SpO2-Signale zu filtern. Dieses Verfahren verbessert die Bestimmung der AC-Werte des roten und infraroten Signals erheblich. Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird der DC-Teil der roten und infraroten SpO2-Signale als Durchschnitt dieser Signale über einem vorgegebenen Zeitintervall oder durch eine Niedrigpassfilterung bestimmt. Sobald die AC- und DC-Komponenten der roten und infraroten Signale bestimmt sind, wird das Verhältnis (ACred/DCred)/(ACir/DCir) wie allgemein bekannt dazu verwendet, die Sättigung des Blutes zu bestimmen. Durch die Verbesserung der Bestimmung der AC- und DC-Komponenten wird die Genauigkeit des Verhältnisses verbessert, womit die Messung der Sättigung des Blutes verbessert wird, insbesondere wo kleine Amplituden der SpO2-Signale und hohe Signale von Artefakten vorliegen.
  • Die einzige Figur zeigt in Form eines Blockdiagramms den Betrieb eines Pulsoximeters gemäß der Gesetzmäßigkeiten der Erfindung.
  • Gemäß der Figur ist ein Überwachungsgerät 2 mit einer ersten Sensoranordnung 4 zur Ermittlung von Elektrokardiogrammsignalen (EKG) 5 und einer zweiten Sensoranordnung 6 zur Aufnahme von roten und infraroten elektrischen Pulsoximetriesignalen (SpO2) 7a und 7b gezeigt. Die Sensoranordnung 4 kann ein oder mehrere EKG-Elektroden umfassen, welche an der Brust des Patienten angebracht sind, so wie dies Fachleuten bekannt ist, wobei die Sensoranordnung 6 zwei LED's und einen Fotodioden-Detektor umfassen kann, welcher mit einem gut durchbluteten Teil des Patienten wie einem Finger oder einem Ohr angebracht wird, so wie dies ebenfalls Fachleuten bekannt ist. Wie zuvor beschrieben, können die ermittelten roten und infraroten SpO2-Signale verarbeitet werden, um eine Messung zu erstellen, welche den Sauerstoffgehalt des Blutes und die Pulsfrequenz des Patienten aufzeigen. Wie allgemein bekannt, basiert eine derartige Bearbeitung zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes des Blutes auf dem Verhältnis der AC- und DC-Komponenten des roten Signals verglichen mit dem infraroten Signal, so dass gilt:
    Figure 00060001
  • Der resultierende Wert wird auf eine experimentell bestimmte Referenztabelle angewendet, um eine endgültige Bestimmung des erhaltenen Messwertes des Sauerstoffgehaltes des Blutes zu liefern.
  • Die Pulsfrequenz kann durch die Anwendung der AC-Komponente auf einen Nulldurchgangs-Detektor und ein Aufsummieren des Zählers während der Intervalle von einer Minute oder weniger bestimmt werden. Ein Prozessor 8 ist in dargestellter Weise für die AC- und DC-Komponenten des erhaltenen roten und infraroten SpO2-Signals ansprechbar.
  • Der Prozessor 8 erstellt daraufhin unter Verwendung der oben angegebenen Gleichung Messwerte, welche für den Sauerstoffgehalt des Blutes und die Pulsfrequenz des Patienten indikativ sind, und liefert diese für die Anzeige auf einem Display oder einer anderen Schnittstelle, welche nicht näher gezeigt ist, zur Darstellung für einen Anwender der Überwachung 2 an die Ausgänge 10 bzw. 12.
  • Wie obenstehend erwähnt sind die AC-Komponenten des erhaltenen SpO2-Signals leicht mit Artefakten-Signalen kontaminiert, welche ihre Bearbeitung stören und leicht zu einer Bestimmung von unrichtigen gemessenen Werten und ebenso zu einer Erzeugung von falschen Alarmierungen durch die Überwachung 2 führen können.
  • Weil wie ebenfalls obenstehend erwähnt die meisten der gewünschten Informationen in den erhaltenen SPO2-Signalen in der Grundfrequenz der Komponente auftreten, welche den Blutpuls des Patienten wiedergibt, sollte eine Bandpassfilterung des erhaltenen SPO2-Signals zur ausschließlichen Trennung der Grundfrequenz der pulsierenden Komponente zur weiteren Bearbeitung die Höhe der Artefakte erheblich reduzieren, welche die erhaltenen SPO2-Signale kontaminieren. Jedoch wird in der vorgenannten Patentschrift US 4,955,379 die Grundfrequenz der pulsierenden Komponente durch die Bearbeitung des erhaltenen SPO2-Signals bestimmt. Wie vorangehend erwähnt ist diese Technik nicht wünschenswert.
  • Folglich ist unabhängig von den erhaltenen SPO2-Signalen, nämlich den EKG-Signal 5, welches durch eine separate Sensoranordnung 4 ausgegeben wird, gemäß eines ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung ein Herzfrequenzwert verfügbar, wobei der Wert zur steuerbaren Bandpassfilterung jedes erhaltenen SPO2-Signals verwendbar ist.
  • Insbesondere errechnet ein Herzfrequenzrechner 14, welcher jeder von Fachleuten gut bekannten Ausführung entsprechen kann, die Frequenz des Herzschlages in der Einheit Hertz. Die Berechnung wird wie folgt ausgeführt: HMF = HR/60
  • Wobei HMF die Hauptfrequenz des Herzschlages in Hertz wiedergibt, und HR die Herzfrequenz in Schlägen pro Minute ist.
  • Weiterhin werden die Filtercharakteristiken des Bandfilters (BPF's) 16a und 16b durch den errechneten HMF-Wert für die steuerbare Filterung des roten und infraroten elektrischen SPO2- Signals 7a bzw. 7b gesteuert, bevor diese an den Prozessor 8 ausgegeben werden. Die gleichen Bandpassfilter-Charakteristiken werden sowohl für das rote als auch für das infrarote Signal verwendet. Als Reaktion auf den HMF-Wert wird zumindest eine Bandpassfilter-Form, Mittelfrequenz oder die Bandbreite eines der BPF-Filter 16a und 16b auf angepasste Weise als Reaktion der Änderungen der Frequenz des Herzschlagsignals gesteuert, welches durch den Herzfrequenzrechner 14 bestimmt wurde. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können die Filter 16a und 16b jeweils digitale Filter mit Koeffizienten umfassen, welche durch das Ergebnis der nicht weiter gezeigten Nachschlagetabelle kontrollierbar sind. Die Filterkoeffizienten, welche das Ergebnis der Nachschlagetabelle sind, werden durch die Anwendung des HMF-Wertes als Adresse bestimmt, und bewirken anschaulich bei jedem Filter eine Bandbreite von 0,5 Hz, welche im Wechselwert der bestimmten Frequenz des Herzschlagsignals zentriert ist. Die somit gefilterten roten und infraroten Signale werden daraufhin an den Prozessor 8 ausgegeben. Die Einengung der Filter 16a und 16b reduziert die Amplitude der Artefakte-Signale im roten und infraroten Signal erheblich, wobei der Informationsgehalt des roten und infraroten Signals nur unerheblich beeinträchtigt wird, da das Passband in der Grundfrequenz des Herzschlagssignals zentriert ist.
  • Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung werden parallel zur vorgenannten Bandpassfilterung die DC-Komponenten des roten und infraroten elektrischen SPO2-Signals mittels eines Niedrigpassfilters (LPF) 18a und 18b mit einer Cut-off-Frequenz von weniger als 0,5 Hz bestimmt. Alternativ können die DC-Komponenten durch eine Berechnung des Mittelwertes dieser Signale über einem vorgegebenen Zeitintervall wie 10 Sekunden, bestimmt werden.
  • Schließlich bestimmt der Prozessor 8 die Pulsfrequenz aus den AC-Komponenten des roten und infraroten SPO2-elektrischen Signals, und bestimmt einen Messwert des Sauerstoffgehaltes des Blutes durch das Verhältnis der AC- und DC-Komponenten des hierauf angewendeten roten und infraroten Signals.
  • Folglich ist das gezeigte und beschriebene eine neue Vorrichtung zur Reduzierung von Artefakte- Signalen in einem physiologischen Signal auf eine Weise, welche alle hierin verfolgten Vorteile und Aufgaben liefert. Der Fachmann wird viele Veränderungen, Modifikationen, Variationen und andere Verwendungen und Anwendungen des Gegenstandes der Erfindung erkennen, nachdem er diese Beschreibung und die zugehörigen Zeichnungen, die eine bevorzugte Ausführungsform offenbaren, verinnerlicht hat. Beispielsweise kann die Erfindung für die Reduzierung von Artefakten in jedem physiologischen Signal, welches eine pulsierende Komponente umfasst, Anwendung finden, obwohl die Artefakte in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einem physiologischen SPO2-Signal reduziert wird. Diesbezüglich kann die Überwachung mit der Erfindung, wie sie in den anhängigen Ansprüchen beschrieben ist, tatsächlich zusätzlich eine Multiparameter-Überwachung umfassen. Darüber hinaus sollte verständlich sein, dass der Herzfrequenzwert durch andere Möglichkeiten als den Gebrauch eines EKG-Signals bestimmt werden kann, und beispielsweise ein Ultraschall, ein Beschleunigungsaufnehmer, eine Kernmagnetresonanz, ein elektrischer Widerstand oder andere Signale stattdessen verwendet werden können. Zusätzlich könnten andere Signale des Filters, wie die Bandbreite und/oder die Bandform adaptiv modifiziert werden, obwohl im dargestellten Ausführungsbeispiel nur die Mittelfrequenz des PBF's 16a und 16b gesteuert wurden. Unter Betrachtung des oben aufgeführten, ist der Schutzumfang der Erfindung lediglich durch die folgenden Ansprüche begrenzt.

Claims (7)

  1. Vorrichtung zum Verringern des Niveaus eines Artefaktsignals in einem erfassten physiologischen Signal, aufweisend: eine erste Sensoranordnung zum Erfassen eines ersten physiologischen Signals, welches ein Pulsoximetriesignal ist; eine zweite Sensoranordnung zum Erfassen eines zweiten physiologischen Signals unter Verwendung einer Erfassungstechnik, welche von derjenigen Erfassungstechnik, die für das Erfassen des ersten physiologischen Signals eingesetzt wird, verschieden ist, wobei das zweite physiologische Signal eine pulsierende Komponente aufweist; einen Prozessor, der auf das zweite physiologische Signal anspricht, um daraus einen Herzfrequenzwert zu bestimmen; und einen Bandpassfilter, der auf den bestimmten Herzfrequenzwert anspricht, um das erste physiologische Signal steuerbar einer Bandpassfilterung zu unterziehen und eine AC-Komponente daraus zu ziehen, welche ein verringertes Niveau des Artefaktsignals aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die erste Sensoranordnung rote und infrarote Pulsoximetriesignale umfasst; und die zweite Sensoranordnung Elektrokardiogrammsignale erfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Prozessor auf die roten und infraroten Pulsoximetriesignale anspricht, nachdem sie einer Bandpassfilterung unterzogen wurden, um eine Messung der Sauerstoffkonzentration im Blut zu erhalten.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, weiter aufweisend einen Tiefpassfilter zum Filtern der roten und infraroten Pulsoximetriesignale parallel zur ihrer Bandpassfilterung, um daraus die DC-Komponenten zu gewinnen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Prozessor AC- und DC-Komponenten (ACr bzw. DCr) der roten und AC- und DC-Komponenten (ACir bzw. DCir) der infraroten Pulsoximetriesignale gemäß der folgenden Gleichung verarbeitet:
    Figure 00120001
    um die Messung der Sauerstoffkonzentration im Blut zu erhalten.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei der Prozessor auf die roten und Infraroten Pulsoximetriesignale anspricht, nachdem sie einer Bandpassfilterung unterzogen wurden, um eine Messung der Pulsfrequenz zu erzielen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Prozessor die DC-Komponenten durch Bestimmen des Mittelwertes der roten und infraroten Signale über einem festen Zeitintervall gewinnt.
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