DE69928569T2 - Rechner zur erkennung von plethysmographischen pulsen - Google Patents

Rechner zur erkennung von plethysmographischen pulsen Download PDF

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    • A61B5/14551Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases
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    • A61B5/7264Classification of physiological signals or data, e.g. using neural networks, statistical classifiers, expert systems or fuzzy systems

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Oximetrie ist die Messung des Sauerstoffstatus des Bluts. Eine frühe Erkennung eines niedrigen Blutsauerstoffs ist auf dem medizinischen Gebiet, zum Beispiel in einem ernsten Fall und chirurgischen Anwendungen kritisch, da eine ungenügende Sauerstoffversorgung in Minuten zu einem Hirnschaden und zum Tod führen kann. Die Pulsoximetrie ist eine verbreitet akzeptierte, nicht-invasive Prozedur zur Messung des Sauerstoffsättigungspegels von arteriellem Blut, einem Indikator der Sauerstoffversorgung. Ein Pulsoximeter liefert typischerweise eine numerische Anzeige der Sauerstoffsättigung des Patienten, eine numerische Anzeige der Pulsfrequenz und eine hörbare Anzeige oder „Piep", der bei jedem Puls erscheint.
  • Ein Pulsoximetriesystem besteht aus einem Sensor, der an einem Patienten angebracht ist, einem Monitor und einem Kabel, das den Sensor und den Monitor verbindet. Herkömmlich weist ein Pulsoximetriesensor sowohl lichtemittierende Rot- als auch Infrarot (IR) Dioden-(LED)-Strahler und einen Photodiodendetektor auf. Der Sensor ist typischerweise an einem Finger eines erwachsenen Patienten oder am Fuß eines kindlichen Patienten angebracht. Für einen Finger ist der Sensor so gestaltet, daß die Strahler Licht durch den Fingernagel und in die Blutgefäße und Kapillargefäße darunter projiziert. Die Photodiode ist an der Fingerspitze gegenüber dem Fingernagel angeordnet, um das von LED-emittierte Licht zu detektieren, wenn es aus den Fingergeweben austritt.
  • Der Pulsoximetriemonitor (Pulsoximeter) bestimmt die Sauerstoffsättigung durch Berechnung der Differentialabsorption durch arterielles Blut der beiden Wellenlängen, die durch den Sensor emittiert werden. Das Pulsoximeter aktiviert abwechselnd die Sensor-LED-Strahler und mißt den resultierenden Strom, der durch den Photodiodendetektor erzeugt wird. Dieser Strom ist zur Intensität des detektierten Lichts proportional. Das Pulsoximeter berechnet ein Verhältnis der detektierten Rot- und Infrarotintensitäten, und es wird beruhend auf dem erhaltenen Verhältnis empirisch ein arterieller Sauerstoffsättigungswert bestimmt. Das Pulsoximeter enthält einen Schaltungskomplex zur Steuerung des Sensors, zur Verarbeitung der Sensorsignale und Anzeige der Sauerstoffsättigung und Pulsfrequenz des Patienten. Zusätzlich kann ein Pulsoximeter die Plethysmographwellenform des Patienten anzeigen, die eine Sichtbarmachung der Blutvolumenänderung im beleuchteten Gewebe ist, die durch den arteriellen Blutstrom über die Zeit verursacht wird. Ein Pulsoximeter wird im US-Patent Nr. 5,632,272 beschrieben, das an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen ist.
  • Das US-Patent Nr. 5,651,370 betrifft eine automatische Blutdruckmeßgerätvorrichtung, die die Attribute für alle Schwingungskomplexe bei jedem Druckschritt speichert und die gespeicherten Wellenformdaten mit einer Schablone vergleicht, die die Attribute eines „reinen" Schwingungskomplexes aus einer gegenwärtigen oder vorhergehenden nicht-invasiven Blutdruckbestimmung oder aus einer Normschablone enthält, die aus einer breiten Population von Patienten bestimmt wird.
  • Das US-Patent Nr. 5,243,992 betrifft ein Pulsfrequenzsensorsystem, das durch einen Benutzer getragen wird, um eine genaue Bestimmung der Pulsfrequenz bereitzustellen. Es ist ein Tonometersensor vorgesehen, um Herzschlagdruckwellen zu detektieren, die durch eine oberflächliche Arterie erzeugt werden. Ein Mikrocomputer verarbeitet die unverarbeiteten Tonometersensorelementsignale unter Verwendung mehrerer Algorithmen, um eine genaue Pulsfrequenz zu bestimmen.
  • WO-A-94/27492 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwendung in der Pulsoximetrie zur Unterscheidung zwischen gültigen Pulswellenformen und Artefaktpulswellenformen. Systolische Aufwärtshubzeiten für gültige Pulswellenformen liegen in einem beständigen, engen Bereich, der von Patient zu Patient gering variiert. Dieser enge Bereich, der für jeden Patienten empirisch definiert oder durch eine Grundeinstellung festgelegt sein kann, die auf alle Patienten anwendbar ist, definiert einen vorbestimmten Bereich von systolischen Aufwärtshubzeiten, die für gültige Pulswellenformen kennzeichnend sind. Die systolische Aufwärtshubzeit jeder Pulswellenform wird mit dem vorbestimmten Bereich verglichen, und Pulswellenformen werden nur dann als gültig erachtet, wenn ihre systolischen Aufwärtshubzeiten innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegen. Nur arterielle Sauerstoffsättigungspegel, die auf für gültig erklärten Pulswellenformen beruhen, werden akzeptiert.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale der Ansprüche gekennzeichnet.
  • 1 stellt die Norm-Plethysmographwellenform 100 dar, die aus einem Pulsoximeter abgeleitet werden kann. Die Wellenform 100 ist eine Anzeige des Blutvolumens, das längs der y-Achse 110 gezeigt wird, über die Zeit, die längs der x-Achse 120 gezeigt wird. Die Form der Plethysmographwellenform 100 ist eine Funktion des Herzschlagvolumens, des Druckgradienten, der arteriellen Elastizität und des peripheren Widerstands.
  • Die ideale Wellenform 100 zeigt eine breite periphere Stromkurve mit einer kurzen, steilen Einströmungsphase 130, der sich eine drei- bis viermal längere Ausströmungsphase 140 anschließt. Die Einströmungsphase 130 ist das Ergebnis der Gewebedehnung durch die schnelle Blutvolumeneinströmung während der Kammersystole. Während der Ausströmungsphase 140 geht der Blutstrom in das Gefäßbett während der Diastole weiter. Der diastolische Endimpulsboden 150 zeigt die minimale basale Gewebeperfusion an. Während der Ausströmungsphase 140 gibt es einen dikroten Einschnitt 160, dessen Natur umstritten ist. Klassisch wird der dikrote Einschnitt 160 dem Schließen der Aortenklappe am Ende der Kammersystole zugeschrieben. Jedoch kann er auch das Ergebnis einer Reflexion von der Peripherie eines anfänglichen, sich schnell ausbreitenden Druckpulses sein, der beim Öffnen der Aortenklappe auftritt und der der arteriellen Stromwelle vorausgeht. Es kann manchmal ein doppelter dikroter Einschnitt beobachtet werden, der, obwohl seine Erklärung unklar ist, möglicherweise das Ergebnis von Reflexionen ist, die den Sensor zu unterschiedlichen Zeiten erreichen.
  • 2 ist eine graphische Darstellung 200, die ein Aufteilungsmodell der Lichtabsorption an einer Gewebestelle darstellt, die durch einen Pulsoximetriesensor beleuchtet wird. Die graphische Darstellung 200 weist eine y-Achse 210 auf, die die gesamte Lichtmenge repräsentiert, die durch die Gewebestelle absorbiert wird, wobei die Zeit längs einer x-Achse 220 gezeigt wird. Die Gesamtabsorption wird durch Schichten repräsentiert, die die statischen Absorptionsschichten infolge des Gewebes 230, des venösen Bluts 240 und eines Impulsbodens des arteriellen Bluts 250 umfassen. Außerdem wird eine variable Absorptionsschicht infolge des durch den Puls addierten Volumens des arteriellen Bluts 260 gezeigt. Das Profil 270 des durch den Puls addierten arteriellen Bluts 260 ist als die Plethysmograph-Wellenform 100 zu sehen, die in 1 dargestellt wird.
  • 3 stellt das Photo-Plethysmograph-Intensitätssignal 300 dar, das durch einen Pulsoximetersensor detektiert wird. Ein Pulsoximeter detektiert die Norm-Plethysmographwellenform 100 (1) nicht direkt. Jedoch kann der Norm-Plethysmograph hergeleitet werden, indem beobachtet wird, daß das detektierte Intensitätssignal 300 lediglich eine phasenverschobene Version des Absorptionsprofils 270 ist. Das heißt, die detektierte Spitzenintensität 372 tritt bei der minimalen Absorption 272 (2) auf, und die detektierte minimale Intensität 374 tritt bei der maximalen Absorption 274 (2) auf; ferner spiegelt sich ein schneller Anstieg der Absorption 276 (2) während der Einströmungsphase des Plethysmographen in einer schnellen Abnahme 376 der Intensität wider, und die allmähliche Abnahme 278 (2) der Absorption während der Ausströmungsphase des Plethysmographen spiegelt sich in einer allmählichen Zunahme 378 der detektierten Intensität wider.
  • Zusätzlich zur Blutsauerstoffsättigung ist ein erwünschter Pulsoximetrieparameter die Frequenz, mit der das Herz schlägt, d.h. die Pulsfrequenz. Auf den ersten Blick scheint es, daß es eine leichte Aufgabe ist, die Pulsfrequenz aus den roten und Infrarot-Plethysmographwellenformen zu bestimmen, die oben be schrieben werden. Jedoch ist diese Aufgabe durch die Vielfalt der physiologischen plethysmographischen Wellenformen selbst unter Idealbedingungen kompliziert. Ferner sind plethysmographische Wellenformen häufig durch Störungen einschließlich eines Bewegungsartefakts beschädigt, wie im oben zitierten US-Patent Nr. 5,632,272 beschrieben. Die Plethysmograph-Pulserkennung, insbesondere beim Vorhandensein eines Bewegungsartefakts und anderer Störungsquellen, ist eine nützliche Komponente zur Bestimmung der Pulsfrequenz und außerdem zur Bereitstellung einer visuellen oder hörbaren Anzeige der Pulserscheinung.
  • In einem Aspekt eines Pulserkennungsrechners werden Informationen hinsichtlich Pulsen in einer Eingangsplethysmographwellenform an einem Rechnerausgang bereitgestellt. Der Rechner weist einen Kandidatenpulsabschnitt auf, der mehrere potentielle Pulse in der Eingangswellenform bestimmt. Ein physiologischer Modellabschnitt des Rechners bestimmt dann die physiologisch akzeptablen dieser potentiellen Pulse. Der Rechner kann ferner Statistiken hinsichtlich der akzeptablen Pulse bereitstellen. Eine Statistik ist die Pulsdichte, die das Verhältnis der Periode akzeptabler Pulse zur Dauer eines Eingangswellenformsegments ist.
  • Der Kandidatenpulsabschnitt weist eine Reihe von Komponenten auf, die als potentielle Pulse die ausklammern, deren Wellenformabschnitte keiner idealisierten Dreieckswellenform entsprechen. Diese Verarbeitung entfernt irrelevante Wellenformmerkmale, wie den charakteristischen dikroten Einschnitt und jene, die durch Rauschen oder ein Bewegungsartefakt verursacht werden. Der Kandidatenpulsabschnitt stellt eine Ausgabe bereit, die Indizes aufweist, die potentielle Pulse in Bezug auf die Spitzen und Täler dieser Dreieckswellenform identifizieren.
  • Der physiologische Modellabschnitt des Rechners weist eine Reihe von Komponenten auf, die potentielle Pulse verwerfen, die keinem physiologisch akzeptablen Puls gleichen. Die erste Komponente des Modellabschnitts extrahiert Merkmale der potentiellen Pulse, einschließlich des Pulsstartpunktes, der Pulsperiode und der Pulssignalstärke. Diese Merkmale werden verschie denen Prüfungen gegenübergestellt, die Prüfungen auf Pulse umfassen, die eine Periode unter einer vorbestimmten Schwelle aufweisen, die asymmetrisch sind, die einen absteigenden Trend aufweisen, der im wesentlichen langsamer als ein anschließender ansteigender Trend ist, die nicht ausreichend einer empirischen Beziehung zwischen der Pulsfrequenz und der Pulssignalstärke entsprechen, und die eine Signalstärke aufweisen, die sich von der Kurzzeitdurchschnittssignalstärke um mehr als einen vorbestimmten Betrag unterscheidet.
  • In einem anderen Aspekt umfaßt ein Pulserkennungsverfahren die Schritte der Identifikation mehrerer potentieller Pulse in einer Eingangswellenform und des Vergleichs der potentiellen Pulse mit einem physiologischen Pulsmodell, um mindestens einen physiologisch akzeptablen Puls abzuleiten. Es kann auch ein weiterer Schritt der Erzeugung von Statistiken für akzeptable Pulse enthalten sein. Der Erzeugungsschritt umfaßt die Schritte der Bestimmung einer Gesamtperiode akzeptabler Pulse und der Berechnung eines Verhältnisses dieser Gesamtperiode mit einer Dauer eines Eingangswellenformsegments, um einen Pulsdichtewert abzuleiten. Der Vergleichsschritt umfaßt die Schritte der Extraktion von Pulsmerkmalen aus potentiellen Pulsen und Prüfung der extrahierten Merkmale an Pulskriterien.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Pulserkennungsrechner, der eine Kandidatenpulseinrichtung zur Identifikation potentieller Pulse in einer Eingangswellenform und Bereitstellung einer Dreieckswellenformausgabe aufweist. Der Rechner weist außerdem eine Plethysmographmodelleinrichtung zur Bestimmung physiologisch akzeptabler Pulse in der Dreieckswellenformausgabe und Bereitstellung der Indizes akzeptabler Pulse als eine Pulsausgabe auf. Der Pulserkennungsrechner kann ferner eine Pulsstatistikeinrichtung zur Bestimmung kumulativer Pulseigenschaften aus der Pulsausgabe aufweisen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren im Detail beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine graphische Darstellung, die einen einzelnen Puls einer Plethysmograph-Wellenform darstellt;
  • 2 eine graphische Darstellung, die den Absorptionsbetrag von Blut- und Gewebekomponenten darstellt;
  • 3 eine graphische Darstellung, die eine Intensitäts-„Plethysmograph"-Pulsoximetriewellenform darstellt;
  • 4 ein Blockdiagram des erfindungsgemäßen Plethysmograph-Pulserkennungsrechners;
  • 5 ein Blockdiagram des Kandidatenpuls-Suchteilrechnerabschnitts der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine graphische Darstellung, die die gefilterte Krümmung eines Plethysmographpulses und die zugehörigen Flanken darstellt;
  • 7 eine graphische Darstellung, die die Delta-T-Prüfung an den Flanken darstellt;
  • 8 eine graphische Darstellung, die die Nulldurchgangsprüfung an den Flanken darstellt;
  • 9 eine graphische Darstellung, die die Amplitudenschwellenprüfung an den Flanken darstellt;
  • 10 eine graphische Darstellung, die die Maximum-Minimum-Prüfung an den Flanken darstellt;
  • 11 eine graphische Darstellung, die die Ausgabe des Pulssuchers darstellt;
  • 12 ein Blockdiagram des Plethysmographmodell-Teilrechnerabschnitts der vorliegenden Erfindung;
  • 13 eine graphische Darstellung, die die Parameter darstellt, die durch die Pulsmerkmalskomponente des Modellteilrechners extrahiert werden;
  • 14 eine graphische Darstellung, die die Stabmodellprüfung an den Kandidatenpulsen darstellt;
  • 15 eine graphische Darstellung, die eine Winkelprüfung an den Kandidatenpulsen darstellt;
  • 16 eine graphische Darstellung, die einen Puls darstellt, der durch die Winkelprüfung verworfen würde;
  • 17 eine graphische Darstellung, die einen Puls darstellt, der durch die Verhältnisprüfung verworfen würde;
  • 18 eine graphische Darstellung, die einen Test der Signalstärkeprüfung darstellt; und
  • 19 ein Blockdiagram eines Pulsfrequenzauswahl- und Vergleichsmoduls gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 4 stellt den erfindungsgemäßen Plethysmograph-Pulserkennungsrechner 400 dar. Der Pulsrechner 400 weist drei Teilrechner auf, einen Kandidatenpuls-Teilrechner 410, einen Plethysmographmodell-Teilrechner 460 und einen Pulsstatistik-Teilrechner 490. Der Kandidatenpuls-Teilrechner 410 wendet verschiedene Wellenformkriterien oder „Flankenprüfungen" an, um Kandidatenpulse in einer Eingangswellenform-„Momentaufnahme" 412 zu finden. In einer besonderen Ausführungsform besteht die Momentaufnahme aus 400 Abtastwerten eines detektierten Intensitätsplethysmographen, der mit einer 62,5 Hz-Abtastfrequenz aufgenommen ist. Diese Momentaufnahme repräsentiert ein Wellenformsegment von 6,4 Sekunden. Die Ausgabe 414 des Kandidatenpuls-Teilrechners 410 besteht aus Spitzen und Tälern des Eingangswellenformsegments, die ein Dreieckswellenmodell von identifizierten Kandidatenpulsen repräsentieren. Die Kandidatenpulsausgabe 414 wird in den Plethysmographmodell-Teilrechner 460 eingegeben, der diese Kandidatenpulse mit einem internen Modell für physiologische Pulse vergleicht. Die Ausgabe 462 des Plethysmographmodell-Teilrechners 460 besteht aus physiologisch akzeptablen Pulsen. Die akzeptable Pulsausgabe 462 wird in den Pulsstatistik-Teilrechner eingegeben. Die Ausgabe 492 des Pulsstatistik-Teilrechners besteht aus Statistiken hinsichtlich der akzeptablen Pulse, einschließlich einer mittleren Pulsperiode und Pulsdichte, wie unten beschrieben wird.
  • 5 stellt die Komponenten des Kandidatenpuls-Teilrechners 410 dar. Dieser Teilrechner entfernt Wellenformmerkmale, die nicht einer idealisierten Dreieckswellenform entsprechen, einschließlich des charakteristischen dikroten Einschnitts. Wie in 3 gezeigt, muß zum Beispiel die Kandidatenpuls-Komponente Punkte ABE identifizieren, wobei sie Punkte CD verwirft. Der Kandidatenpuls-Teilrechner 410 identifiziert zuerst „Flanken" im Eingangswellenformsegment. Eine Flanke ist als ein Segment definiert, das eine Spitze und ein nachfolgendes Tal des gefilterten Wellenformsignals verbindet. Der Kandidatenpuls-Rechner 410 verwirft dann Flanken, die bestimmte Bedingungen nicht erfüllen.
  • Wie in 5 gezeigt, weist der Kandidatenpuls-Teilrechner eine Krümmungskomponente 500, (in einer Ausführungsform) eine Tiefpaßfilterkomponente 510 und eine Flankensucherkomponente 520 auf, die Flanken identifiziert. In einer Ausführungsform wird die Krümmungskomponente 500 durch Faltung der Wellenform mit dem Kern [1, –2, 1] implementiert. In einer Ausführungsform kann anstelle eines Tiefpaßfilters 510 ein Bandpaßfilter verwendet werden. Für eine Kerngröße von n kann dies wie folgt repräsentiert werden:
    Figure 00090001
    wobei μk der k-te Eingangsabtastwert und yk der k-te Ausgangsabtastwert und W ein fester Gewichtsvektor ist. Der Flankensucher 520 identifiziert die Spitzen und nachfolgenden Täler der Ausgabe des Filters 510.
  • 6 stellt die Ergebnisse der Krümmungskomponente 500, der Filterkomponente 510 und der Flankensucherkomponente 520 dar, die auf ein Paar von Wellenformpulsen 610 angewendet werden. Die verarbeitete Wellenform 660 weist Spitzen A und C und entsprechende Täler B und D auf. Es gibt zwei Flanken, eine erste Flanke wird durch ein Liniensegment 670 repräsentiert, das A und B verbindet. Eine zweite Flanke wird durch ein Liniensegment 680 repräsentiert, das C und D verbindet.
  • Wie in 5 gezeigt, weist der Kandidatenpulsabschnitt außerdem eine Delta-T-Prüfung 530, eine Nulldurchgangsprüfung 540, eine Amplitudenschwellenprüfung 550 und eine Maximum-Minimum-Prüfung 560 auf, die bestimmte der identifizierten Flanken beseitigen. Die Delta-T-Prüfung 530 verwirft alle Flanken, die einen Abstand zwischen Endpunkten aufweisen, der nicht in ein festes Intervall fällt. Dies ist dazu bestimmt, pulsförmige Abschnitte der Eingangswellenform zu beseitigen, die entweder zu langsam oder zu schnell sind, um physiologische Pulse zu sein. In einer besonderen Ausführungsform liegt das Intervall bei der 62,5 Hz-Abtastfrequenz zwischen 5 und 30 Abtastwerten oder 80–480 ms. Das heißt, Flanken, deren Länge kleiner als 80 ms oder größer als 480 ms ist, werden beseitigt.
  • 7 veranschaulicht die Delta-T-Prüfung 530 (5), die oben beschrieben wird. Es wird die verarbeitete Wellenform 760, eine Flanke a 780 und eine Flanke b 790, zusammen mit einem maximal akzeptablen Flankenlängenintervall 770 zum Vergleich gezeigt. In diesem Beispiel würde die Flanke a 780, die eine Länge von 35 Abtastwerten aufweist, beseitigt, da ihre Länge das maximal akzeptable Intervall 770 von 30 Abtastwerten überschreitet. Im Gegensatz dazu würde die Flanke b 790, deren Länge 25 Abtastwerte beträgt, akzeptiert werden.
  • Wie außerdem in 5 gezeigt wird, beseitigt die Nulldurchgangsprüfung 540 alle Flanken, die nicht Null kreuzen. Die Nulldurchgangsprüfung beseitigt kleine Krümmungsänderungen im Eingangswellenformsegment, d.h. kleine Unebenheiten, die keine Spitzen und Täler sind.
  • 8 veranschaulicht den Effekt der Nulldurchgangsprüfung 540 (5). Es wird die verarbeitete Wellenform 860 gezeigt. Es werden eine Flanke a 870, eine Flanke b 880 und eine Flanke c 890 im Verhältnis zur Nullinie 865 für die verarbeitete Wellenform 860 gezeigt. In diesem Beispiel werden die Flanke a 870 und die Flanke b 880 akzeptiert, jedoch wird die Flanke c 890 beseitigt, das sie die Nullinie 865 nicht kreuzt.
  • Wie in 5 gezeigt wird, ist die Amplitudenschwellenprüfung 550 dazu bestimmt, größere „Unebenheiten" als die Nulldurchgangsprüfung 540 zu entfernen, wie dikrote Einschnitte. Dies geschieht, indem das rechte Extrem (Tal) jeder Flanke innerhalb eines Fensters mit fester Länge mit einer Schwelle verglichen wird, die auf einem festen Prozentsatz des Minimums in jenem Fenster beruht. Wenn das Tal nicht ausreichend tief ist, wird die Flanke zurückgewiesen. In einer besonderen Ausführungsform wird die Fenstergröße für Neugeborene auf 50 Abtastwerte und für Erwachsene auf 100 Abtastwerte festgelegt, um sich der langsameren Pulsfrequenz eines Erwachsenen anzupassen. Außerdem wird eine Schwelle von 60% des Minimums verwendet.
  • 9 stellt ein Beispiel der Amplitudenschwellenprüfung 550 (5) dar. Es wird die verarbeitete Wellenform 960 gezeigt. Der Startpunkt des Fensters 970 wird auf das linke Extrem 942 (Spitze) der ersten Flanke a gesetzt. Es wird ein Minimum 980 im Fenster 970 bestimmt. Es wird eine Schwelle 982, die gleich 60% des Minimums 980 ist, bestimmt. Das rechte Extrem 992 der Flanke a wird mit der Schwelle 982 verglichen. Die Flanke a wird behalten, da das rechte Extrem 992 kleiner (negativer) als die Schwelle 982 ist. Das rechte Extrem 993 der Flanke b wird dann mit der Schwelle 982 verglichen. Die Flanke b wird entfernt, da das rechte Extrem 993 größer (weniger negativ) als die Schwelle 982 ist. Entsprechend wird die Flanke c behalten. Danach wird das Fenster 970 zum linken Extrem 943 der Flanke b bewegt und der Prozeß wiederholt.
  • Wie ebenfalls in 5 gezeigt wird, wendet die Maximum-Minimum-Prüfung 560 andere Entfernungskriterien auf die Flanken an. Die Maximum-Minimum-Prüfung 560 berücksichtigt das Intervall der verarbeiteten Wellenform zwischen dem Minimum einer Flanke, die geprüft wird, und der Spitze der nachfolgenden Flanke. Die Maximum-Minimum-Prüfung 560 findet das Maximum der verarbeiteten Wellenform in diesem Intervall. Die Flanke, die geprüft wird, wird entfernt, wenn das Maximum größer als ein Prozentsatz des Absolutwerts des rechten Extrems (Minimums) dieser Flanke ist. In einer Ausführungsform, die die strengste Algorithmusleistung benötigt, wird die Schwelle auf 77% des rechten Extrems der Flanke festgelegt. In einer anderen Ausführungsform mit einer weniger strengen Algorithmusleistung wird die Schwelle auf 200 des rechten Extrems der Flanke gesetzt. Die Maximum-Minimum-Prüfung 560 ist bei der Beseitigung von Flanken effektiv, die pulsförmig sind, jedoch einer Bewegung entsprechen.
  • 10 stellt ein Beispiel der Maximum-Minimum-Prüfung 560 (5) dar. Es wird die verarbeitete Wellenform 1060 gezeigt. Die Maximum-Minimum-Prüfung 560 wird auf die Flanke b 1070 angewendet. Es wird das Intervall B–C betrachtet, das zwischen dem Punkt B 1074, der Spitze der Flanke b 1070, und dem Punkt C 1084, der Spitze der Flanke c 1080 liegt. Das Maximum im Intervall B–C ist der Punkt C 1084. Der Punkt C 1084 wird mit einer ersten Schwelle 1078 verglichen, die in diesem Beispiel 77% des Absolutwerts des Punkts P1 1072, dem Minimum der Flanke b 1070 beträgt. Die Flanke b 1070 würde nicht verworfen, da der Punkt C 1084 kleiner als diese erste Schwelle 1078 ist. Als ein anderes Beispiel wird die Maximum-Minimum-Prüfung 560 auf die Flanke c 1080 angewendet. Es wird das Intervall C–D betrachtet, das zwischen dem Punkt C 1084, der Spitze der Flanke c 1080, und dem Punkt D 1094, der Spitze der Flanke d 1090 liegt. Das Maximum im Intervall C–D ist der Punkt V 1093. Der Punkt V 1093 wird mit einer zweiten Schwelle 1088 verglichen, die 77% des Absolutwerts des Punkts P2 1082, dem Tal der Flanke c 1080 beträgt. Die Flanke c würde verworfen, da der Punkt V 1093 größer als diese zweite Schwelle 1088 ist.
  • Wie in 5 gezeigt, ist der Pulssucher 570 die letzte Komponente des Kandidatenpuls-Teilrechners 410. der Pulssucher 570 wandelt die Flanken, die nach den verschiedenen Flankenprüfungen übrig bleiben, in Kandidatenpulse in der Form einer idealisierten Dreieckswelle um, die in den Plethysmographmodell-Teilrechner 460 (4) eingespeist werden. Aus den Informationen über die Indizes der Spitzen der Täler der restlichen Flanken ist es einfach, einen Puls in der Eingangswellenform zu bestimmen. Die restlichen Flanken werden zuerst in Flankenpaare unterteilt, d.h. die ersten und zweiten Flanken, die zweiten und dritten Flanken und so weiter. Der erste Punkt eines Pulses entspricht dem Maximum des Wellenformsegments im Intervall der Indizes, das durch die Spitze und das Tal der ersten Flanke eines Paares festgelegt wird. Der zweite Punkt ist das Minimum zwischen dem Tal der ersten Flanke und der Spitze der zweiten Flanke. Der dritte und letzte Punkt ist das Maximum zwischen der Spitze und dem Tal der zweiten Flanke.
  • 11 stellt das Ergebnis des Pulssuchers 570 (5) dar, das als eine Reihe von Pulsen 1110 gezeigt wird, die einen besonderen Puls XYZ 1120 enthalten, der als eine Dreieckswelle erscheint, die einem Eingangswellenformsegment 1140 überlagert ist. Außerdem werden die restlichen Flanken a 1170, b 1180 und c 1190 gezeigt. In diesem Beispiel besteht der Puls XYZ 1120 aus dem Paar Flanken c 1180 und e 1190. Der Punkt X 1122 ist das Maximum im Wellenformsegment 1140 im Zeitintervall zwischen der Spitze 1182 und dem Tal 1184 der Flanke c 1180. Der Punkt Y 1124 ist das Minimum im Wellenformsegment 1140 im Zeitintervall zwischen dem Tal 1184 der Flanke c 1180 und der Spitze 1192 der Flanke e 1190. Der Punkt Z 1128 ist das Maximum im Wellenformsegment 1140 im Zeitintervall zwischen der Spitze 1192 und dem Tal 1194 der Flanke e 1190.
  • 12 stellt die Komponenten des Plethysmographmodell-Teilrechners 460 dar. Dieser Teilrechner nimmt als Eingabe die Kandidatenpulse auf, die durch den Kandidatenpuls-Teilrechner 410 (4) identifiziert werden, und entscheidet, welche davon ein inneres Modell für eine physiologische plethysmographische Wellenform erfüllen. Obwohl der Kandidatenpuls-Teilrechner 410 (4) eine Reihe von Prüfungen an Flanken durchführt, führt der Plethysmographmodell-Teilrechner eine Reihe von Prüfungen an Pulsmerkmalen durch. Die erste Komponente des Modellteilrechners berechnet relevante Pulsmerkmale. Der Rest des Modellteilrechners prüft diese Pulsmerkmale, um physiologisch akzeptable Merkmale zu identifizieren.
  • Wie in 12 gezeigt, extrahiert die Pulsmerkmalskomponente 1210 drei Informationen über die Eingangkandidatenpulse, die zur nachgeschalteten Verarbeitung durch die anderen Komponenten des Modellteilrechners benötigt werden. Die extrahierten Merkmale sind der Pulsstartpunkt, die Periode und die Signalstärke.
  • 13 stellt einen Kandidatenpuls 1300 und die drei Parameter dar, die durch die Pulsmerkmalskomponente 1210 (12) extrahiert werden. Der Puls 1300 wird zum Bezug auf die Eingangswellenform 1302 gelegt gezeigt. Der Startpunkt A 1360 ist die erste Spitze des Pulses 1300. Die Periode P 1370 ist die Zeitdifferenz zwischen der Zeit des Auftretens der ersten Spitze 1360 und der zweiten Spitze 1362 des Pulses 1300. Die Signalstärke SS 1350 ist die Differenz zwischen den Werten der ersten Spitze 1360 und dem Tal 1364 des Pulses 1300. Die Si gnalstärke SS 1350 wird normiert, indem dieser Wert durch den Wert der Infrarotrohsignaldaten an dem Punkt dividiert wird, dem der Punkt A 1360 entspricht.
  • Außerdem wird in 12 die 250-SPM-Prüfung 1220 gezeigt. Diese Komponente verwirft Pulse, die eine Periode P 1370 (13) aufweisen, die unter 15 Abtastwerten liegt. Dies entspricht einer Obergrenze für die Pulsfrequenz, die auf 250 Schläge pro Minute festgelegt wird. Das heißt: 15 Abtastwerte/Schlag (62,5 Abtastwerte/s × 60 s/min)/250 Schläge pro Minute (2)
  • Zusätzlich zeigt 12 die Stabmodellprüfung 1230. Diese Komponente verwirft Pulse, wo die entsprechende Wellenform nicht genau zu einem Stabmodell paßt, d.h. wo ein Puls nicht durch eine Dreieckswellenform repräsentiert werden kann. Diese Komponente mißt eine normierte Differenz zwischen der Eingangswellenform und der Dreieckswellendarstellung der Wellenform. Der erhaltene Wert wird mit einer Schwelle verglichen, und Pulse werden verworfen, wo die normierte Differenz größer als diese Schwelle ist.
  • 14 veranschaulicht die Berechnungen, die durch die Stabmodellprüfung 1230 (12) durchgeführt werden. Es wird ein Eingangswellenformpuls 1410 und der entsprechende Stabmodellpuls 1460 gezeigt. Die Komponente der Stabmodellprüfung 1230 (12) berechnet einen ersten Wert, der eine Summe der absoluten Differenzen ist, die als die dunklen schwarzen Flächen 1420 zwischen dem Wellenformpuls 1410 und den Stabmodellpuls 1460 gezeigt werden. Diese Komponente berechnet außerdem einen zweiten Wert, der eine Summe der ersten rechteckigen grauen Fläche 1470, die den absteigenden Abschnitt des Pulses 1410 einschließt, und der zweiten grauen Fläche 1480 ist, die den ansteigenden Abschnitt des Pulses 1410 einschließt. Die Stabmodellprüfung 1230 (12) normiert dann den ersten Wert, indem sie ihn durch den zweiten Wert dividiert. Dieser normierte Wert wird mit einer Schwelle verglichen. Ein physiologischer Puls unterscheidet sich bei hohen Pulsfrequenzen nicht allzu sehr vom Stabmodell. Dies gilt nicht bei Pulsfrequenzen, die weit unter 150 SPM liegen, aufgrund des Auftretens eines dikroten Einschnitts und anderer „Unebenheiten". Folglich ist die Schwelle eine Funktion der Pulsfrequenz. In einer Ausführungsform beträgt die Schwelle: 0,15, für Pulsfrequenz < 130 (3) 0,430455769e–0,008109302 (Pulsfrequenz), für 130 < Pulsfrequenz < 160 (4) 0,1, für Pulsfrequenz > 160 (5)
  • In 12 wird die Winkelprüfung 1240 gezeigt. Die Winkelprüfung 1240 beruht auf der Berechnung des Winkels einer normierten Steigung für den ansteigenden Abschnitt eines Pulses. Dieser Winkel wird mit demselben Winkel eines idealen Pulses verglichen, der dieselbe Periode aufweist. Diese Prüfung ist beim Verwerfen von Pulsen effektiv, die extrem asymmetrisch sind.
  • 15 stellt ein Beispiel der Winkelprüfung 1240 (12) dar. Es wird ein einzelner Dreieckspuls 1500 gezeigt, der der entsprechenden Eingangswellenform 1502 überlagert ist. Der ansteigende Pulsabschnitt 1504 weist einen vertikalen Anstieg a 1510 und einen horizontalen Verlauf b 1520 auf. Der Anstieg 1510 und der Verlauf 1520 werden bezüglich der Pulssignalstärke ss 1530 und der Pulsfrequenz normiert, die in dieser besonderen Ausführungsform 62,5 Hz beträgt. Ein Winkel θ 1540 wird berechnet als: θ = arctan[(a/ss)/(b/62,5)] × 180/π (6)
  • Der Winkel θ wird mit demselben Winkel eines idealen Pulses verglichen, der dieselbe Periode aufweist, wobei a gleich der Signalstärke ist und b gleich der Periode c 1550 minus 6 ist. Es werden drei Grad zu diesem Wert als eine Schwellenspanne addiert. Folglich wird θ mit θref verglichen, der wie folgt berechnet wird: θref = arctan{[a/ss]/[(c – 6)/62,5]} × (180/π) + 3 (7)
  • Wenn θ < θref, dann wird der Puls verworfen. 16 stellt einen Beispielpuls 1600 dar, der durch die Winkelprüfung verworfen würde, da das Segment a 1610 sehr viel kleiner als die Signalstärke ss 1630 ist.
  • Außerdem wird in 12 die Verhältnisprüfung 1250 gezeigt. Die Zeitverhältnisprüfungskomponente entfernt Pulse, in denen das Verhältnis zwischen der Dauer des ansteigenden Pulsabschnitts und der Dauer des absteigenden Pulsabschnitts kleiner als eine bestimmte Schwelle ist. In einer besonderen Ausführungsform beträgt die Schwelle 1,1. Die Begründung für diese Prüfung ist, daß in jedem physiologischen Puls der ansteigende Abschnitt zeitlich kürzer als der absteigende Abschnitt ist, der die Kammersystole repräsentiert.
  • 17 stellt einen Beispielpuls 1700 dar, der durch die Zeitverhältnisprüfung 1250 (12) verworfen würde. In diesem Beispiel ist die Dauer a 1760 des ansteigenden Abschnitts 1710 kleiner als die Dauer b 1770 des absteigenden Abschnitts 1720. Folglich ist das Verhältnis der ansteigenden Dauer 1760 zur absteigenden Dauer 1770 a/b kleiner als die Schwelle 1,1.
  • 12 zeigt ferner die Signalstärkeprüfung 1260. Die Signalstärkeprüfung 1260 weist jedem Puls beruhend auf seiner Signalstärke einen Vertrauenswert zu. Es gibt zwei Vertrauenspegel, hoch und niedrig. Die Bestimmung des Vertrauens beruht auf zwei Mechanismen. Der erste Mechanismus ist auf der Beobachtung begründet, daß die Signalstärke umso niedriger ist, je höher die Pulsfrequenz ist. Dieser Mechanismus wird mit einer empirischen Beziehung zwischen der Pulsfrequenz und der Signalstärke implementiert. Wenn die gemessene Signalstärke um eine feste Spanne größer als diese empirische Beziehung ist, ist das Pulsvertrauen niedrig. Der zweite Mechanismus umfaßt die physiologische Begrenzung, daß sich die Signalstärke über eine kurze Zeitspanne nicht sehr stark ändern kann. Wenn die Pulssignalstärke um eine feste Spanne größer als eine Kurzzeitdurchschnittssignalstärke ist, ist das Pulsvertrauen niedrig. Wenn der Puls beide Kriterien erfüllt, dann weist der Puls ein hohes Vertrauen auf. Alle Pulse in einem einzelnen Wellenformsegment oder einer Momentaufnahme weisen denselben Vertrauenswert auf. Wenn es folglich mindestens einen Puls mit einem hohen Vertrauen gibt, dann werden alle Pulse mit einem niedrigen Vertrauen fallengelassen.
  • 18 veranschaulicht die ersten Signalstärkekriterien, die oben beschrieben werden. In einer Ausführungsform ist die Beziehung zwischen der Signalstärke und der Pulsfrequenz durch die Kurve 1800 gegeben, die durch die folgende Gleichung beschrieben wird: SS = 110.e–0,02131PR + 1 (8)
  • Zuerst wird die Pulsfrequenz PR 1810 aus der Pulsperiode bestimmt. Danach wird die entsprechende Signalstärke SSref 1820 aus der Gleichung (8) und der Pulsfrequenz 1810 bestimmt. Da die Gleichung (8) empirisch hergeleitet ist, wird sie nach oben und unten verschoben, um sie für einzelne Patienten anwendbarer zu machen. Es werden eine Langzeitdurchschnittssignalstärke Long Time SS 1830 und eine Langzeitdurchschnittspulsfrequenz Long Time PR 1840 hergeleitet. Wenn Long Time SS 1830 an dem Punkt, der Long Time PR 1840 entspricht, über der Kurve 1800 liegt, dann wird die Differenz zwischen Long Time SS und der Kurve 1800 plus 2 der Offset 1850. Wenn die gemessene Pulssignalstärke Pulse SS kleiner als SSref + Offset 1860 ist, dann ist diese Prüfung bestanden.
  • Wie in 4 gezeigt, hat nach dem Kandidatenpuls-Teilrechner 410 und dem Plethysmographmodell-Teilrechner 460 der Pulserkennungsrechner 400 innerhalb der Eingangswellenform-Momentaufnahme alle Pulse identifiziert, die einem bestimmten Modell für physiologisch akzeptable Plethysmographen entsprechen. Aus den Informationen über diese Pulse kann der Pulsstatistik-Teilrechner 490 Statistiken hinsichtlich der Momentaufnahme selbst gewinnen. Zwei nützliche statistische Parameter, die abgeleitet werden, sind der Medianwert der Pulsperioden und Signalstärken. Der Medianwert wird eher als der Mittelwert verwendet, da innerhalb einer Wellenform-Momentaufnahme von 400 Punkten (fast 7 Sekunden) die Periode und die Signalstärke, die mit jedem Puls verbunden ist, stark variieren können. Ein anderer Parameter ist der Signalstärke-Vertrauenspegel, der in einer Ausführungsform für alle erkannten Pulse einer Momentaufnahme derselbe ist. Ein vierter nützlicher Parameter ist die Pulsdichte. Die Pulsdichte ist der Wert, der erhalten wird, in dem die Summe der Perioden der akzeptablen Pulse durch die Länge der Momentaufnahme geteilt wird. Die Pulsdichte repräsentiert jenes Verhältnis der Momentaufnahme, das als physiologisch akzeptabel klassifiziert worden ist. Die Pulsdichte ist ein Wert zwischen 0 und 1, wobei 1 bedeutet, daß die gesamte Momentaufnahme physiologisch akzeptabel ist. Mit anderen Worten ist die Pulsdichte ein Maß dafür, ob die Daten sauber oder zum Beispiel durch ein Bewegungsartefakt gestört sind.
  • Schließlich kann beruhend auf diesen beschrieben Kriterien eine Pulsfrequenz gewählt werden. In einem System mit zusätzlichen Überwachungseingängen, wie es in 19 dargestellt wird, kann ein Pulsfrequenzauswahl- und Vergleichsmodul 1900 vorgesehen sein. Zum Beispiel kann die Oximeterpulsfrequenz (und eine entsprechende Vertrauensinformation, falls erwünscht) an einen ersten Eingang 1902 geliefert werden. In einen Mehrfachparameter-Patientenmonitor kann es auch eine Pulsfrequenz oder Pulsinformation (und möglicherweise Vertrauensinformation) von einem ECG- oder EKG-Monitor an einem zweiten Eingang 1904, von einem Blutdruckmonitor an einem dritten Eingang 1906, von einer arteriellen Leitung an einem vierten Eingang 1908, und andere mögliche Parameter 1910, 1912 geben. Das Pulsfrequenzmodul 1900 vergleicht dann die verschiedenen Eingaben und kann feststellen, welche korrelieren oder welche korrelieren und die höchste Vertrauensverbindung aufweisen. Die ausgewählte Pulsfrequenz wird dann an einem Ausgang 1914 bereitgestellt. Alternativ kann das Pulsfrequenzmodul 1900 den Durchschnitt von jedem Eingang oder einer Auswahl der Eingänge nehmen, oder beruhend auf einer Vertrauensinformation, falls verfügbar, einen gewichteten Durchschnitt bereitstellen.
  • Der Plethysmograph-Pulserkennungsrechner ist in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail offenbart worden. Diese Ausführungsformen werden nur beispielhaft offenbart und dienen nicht dazu, den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu begrenzen, der durch die Ansprüche definiert wird, die folgen. Ein üblicher Fachmann wird viele Variationen und Modifikationen im Rahmen dieser Erfindung erkennen, die durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims (2)

  1. Pulserkennungsrechner, der aufweist: einen Kandidatenpuls-Teilrechner (410), der potentielle Pulse in einer Eingangswellenform identifiziert, die mit Intensitätssignalen zusammenhängen, die von einem lichtempfindlichen Detektor empfangen werden, der zur Detektion von Licht imstande ist, das durch Körpergewebe gedämpft wird, das pulsierendes Blut führt, wobei der Kandidatenpuls-Teilrechner auch eine Dreieckswellenformausgabe aufweist; und einen Plethysmographmodell-Teilrechner (460), der physiologisch akzeptable Pulse in der Dreieckswellenformausgabe feststellt und als eine Pulsausgabe die Indizes von akzeptablen Pulsen liefert.
  2. Pulserkennungsrechner nach Anspruch 1, der ferner einen Pulsstatistik-Teilrechner (490) aufweist, der kumulative Pulseigenschaften aus der Pulsausgabe bestimmt.
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