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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Auswertungseinrichtung
zur Bestimmung der Narkosetiefe eines Lebewesens, bei dem das Lebewesen
mit mindestens einem akustischen Anregungssignal beaufschlagt und
mindestens ein Antwortsignal gemessen und ausgewertet wird.
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Die
Erfindung betrifft darüber
hinaus eine Vorrichtung zur Messung einer Narkosetiefe, die eine Steuereinrichtung
zur Generierung eines akustischen Anregungssignals, mindestens einen
akustischen Signalgeber sowie mindestens einen Sensor zur Erfassung
eines Antwortsignals aufweist und bei der der Sensor an eine Auswertungseinheit
angeschlossen ist.
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Die
Verwendung von akustisch evozierten Potentialen zur Erfassung des
Wachheitszustandes eines Patienten wird bei spielsweise bereits bei [Thornton,
C., Evoked potentials in anaesthesia. Eur.J.Anaesthesiol. 1991;
8: 89–107.]
beschrieben. Die bislang realisierten Verfahren haben sich jedoch als
sehr störungsanfällig erwiesen.
In die jeweilige Messung gehen das individuelle Hörvermögen, die Güte der Ableitung
sowie die Sauerstoffversorgung des Ohres mit ein. Darüber hinaus
können
die Signalgeber oder die Sensoren verrutschen oder herausfallen,
was ebenfalls zu Fehlmessungen führt.
Die bislang bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind deshalb insbesondere
noch nicht in ausweichender weise dafür geeignet, zur Steuerung von
Narkosegeräten
verwendet zu werden, die bei Operationen eingesetzt werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der einleitend
genannten Art derart zu verbessern, daß eine verbesserte Störungssicherheit
und Genauigkeit bereitgestellt wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß von
einer Steuereinrichtung akustische Anregungssignale generiert und
als Antwortsignal ein bioelektrisches Antwortsignal des Lebewesens
gemessen und ausgewertet wird und daß das Anregungssignal sowohl
mit einem ersten Modulationssignal einer ersten Modulationsfrequenz
sowie einem zweiten Modulationssignal einer zweiten Modulationsfrequenz
moduliert wird und daß die
erste und die zweite Modulationsfrequenz relativ zueinander unterschiedlich
sowie kleiner als eine niedrigste Frequenz des Anregungssignals
generiert werden.
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Weitere
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der
einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß eine verbesserte
Störungsunanfälligkeit
realisiert wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Steuereinrichtung zur Generierung von mindestens zwei Modulationssignalen
unterschiedlicher Frequenzen ausgebildet und mit einem Modulator
versehen ist, der die Modulationssignale einem Trägersignal
aufmoduliert und daß die Auswertungseinheit
einen Analysator zur Auswertung von Anteilen des Anregungssignals
aufweist, die jeweils einem der Modulationssignale zugeordnet sind.
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Durch
die Applikation und die Auswertung von mindestens zwei Modulationssignalen
unterschiedlicher Frequenz ist es möglich, eine automatische Erkennung
von Störungen
im Bereich der Steuerung zu implementieren. Insbesondere werden
die Frequenzen der Modulationssignale derart gewählt, daß die eine Frequenz hinsichtlich
ihrer akustischen Wahrnehmung in einem für die Wachheit des Lebewesens
relevanten und die andere Frequenz in einem im wesentlichen vom
Wachheitszustand unabhängigen
akustischen Frequenzbereich liegt. Bei einer Veränderung des Antwortsignals
zu beiden Modulationsfrequenzen kann die Veränderung des Hörvermögens in
die Auswertung mit einbezogen werden oder auf eine Störung rückgeschlossen
und eine weitere Auswertung des Signals, beispielsweise zur Steuerung
der Narkosemittelzufuhr eines Narkosegerätes, unterdrückt werden.
Bei einer Veränderung lediglich
des vom Wachheitszustand abhängigen
Signals kann hingegen auf einen veränderten Wachheits- bzw. Narkosezustand
rückgeschlossen
und das entsprechende Signal von der Steuerung des Narkosegerätes herangezogen
werden.
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Aufgrund
einer sehr schnellen Reaktion auf das akustisch bereitgestellte
Anregungssignals sind das verfahren und die Vorrichtung insbesondere
dafür geeignet,
in automatischen Regelkreisen zur Narkoseführung verwendet zu werden.
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Eine
einfache Durchführung
der Modulation wird dadurch unterstützt, daß eine Amplitudenmodulation
durchgeführt
wird. Ein typischer Frequenzbereich wird dadurch definiert, daß ein Trägersignal
mit einer Frequenz von etwa 200 Hz bis etwa 6 kHz oder ein Bandpaß-Rauschen
in diesem Frequenzbereich verwendet wird.
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Ein
auf die Detektion eines Wachheitszustandes ausgerichtetes Anregungssignal
wird dadurch bereitgestellt, daß ein
erstes Modulationssignal mit einer ersten Modulationsfrequenz von
etwa 40 Hz verwendet wird.
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Ein
Anregungssignal zur Plausibilisierung des Meßvorganges wird dadurch erzeugt,
daß ein zweites
Modulationssignal mit einer zweiten Modulationsfrequenz von etwa
80 Hz verwendet wird.
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Insbesondere
ist daran gedacht, daß ein
erstes Modulationssignal mit einer ersten Modulationsfrequenz von
höchstens
60 Hz verwendet wird.
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Darüber hinaus
ist es auch möglich,
daß ein zweites
Modulationssignal mit einer zweiten Modulationsfrequenz von mindestens
60 Hz verwendet wird.
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Eine
permanente Signalauswertung wird dadurch unterstützt, daß beide Modulationssignale gleichzeitig
auf die Trägerfrequenz
aufmoduliert werden.
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Vereinfachte
Signalstrukturen lassen sich dadurch bereitstellen, daß die Modulationssignale mindestens
zeitweise sequentiell auf das Trägersignal
aufmoduliert werden.
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Zur
Unterstützung
kurzfristiger Reaktionen auf Änderungen
des Antwortsignals wird vorgeschlagen, daß eine zeitlich kontinuierliche
Messung durchgeführt
wird.
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Darüber hinaus
erweist es sich als vorteilhaft, daß eine zeitlich kontinuierliche
Signalgenerierung durchgeführt
wird.
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Eine
vereinfachte Meßwertverarbeitung
wird dadurch unterstützt,
daß eine
blockweise Auswertung von Signalanteilen durchgeführt wird.
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Bei
der Realisierung einer sequentiellen Signalverarbeitung erweist
es sich als vorteilhaft, daß eine
Signalgenerierung und eine Signalauswertung innerhalb von vorgebbaren
Zeitfenstern durchgeführt wird.
Dies beinhaltet insbesondere die Mittelung im Zeitbereich zur Verbesserung
des Signal-Rausch-Verhältnisses,
beispielsweise blockweise oder kontinuierlich, mit oder ohne exponentielle Wichtung.
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In
den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1 ein
vereinfachtes Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines gerätetechnischen
Aufbaus zur Generierung der Anregungssignale sowie zur Erfassung
der Antwortsignale,
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2 ein
Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Signalgenerierung durch
Modulation und
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3 ein
Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Signalauswertung.
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Als
akustisches Trägersignal
für die
Modulationsfrequenzen wird typischerweise eine Signalfrequenz oder
Signalfrequenzen im Bereich von 200 Hz bis 6 kHz gewählt. Für die Modulationssignale
werden typischerweise Frequenzen von etwa 40 Hz einerseits und von
etwa 80 Hz andererseits verwendet. Ein Antwortsignal auf die Anregung
mit etwa 40 Hz ist stärker
von der Wachheit des Lebewesens abhängig als das Antwortsignal
auf die Anregungsfrequenz von 80 Hz. Für das erste Signal können grundsätzlich auch
Frequenzen unterhalb von 60 Hz und für das zweite Signal Frequenzen
oberhalb von 60 Hz verwendet werden. Die beiden Modulationssignale
können
entweder gleichzeitig oder zeitlich versetzt auf das Trägersignal
aufmoduliert werden. Vorzugsweise wird das Trägersignal kontinuierlich bereitgestellt,
es ist hier aber auch eine zeitlich getaktete Bereitstellung möglich, wobei
die aktiven Phasen lang genug gewählt werden müssen, um
eine Signalauswertung durchführen
zu können.
Die Signalpausen müssen kurz
genug sein, um eine schnelle Reaktion zu ermöglichen.
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Die
Modulation wird vorzugsweise als Amplitudenmodulation durchgeführt. Der
Modulationsbereich kann gleich oder unterschiedlich auf die beiden Modulatorfrequenzen
verteilt werden.
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Das
Antwortsignal wird vorzugsweise als EEG-Signal erfaßt und hinsichtlich
der unterschiedlichen Antwortfrequenzen ausgewertet. Das Antwortsignal
auf die niedrigere Frequenz repräsentiert
hierbei den Wachheitsgrad, das Antwortsignal auf die höhere Frequenz
den Status und die Qualität
der akustischen Präsentation,
der Ableitung und des Hörvermögens.
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Eine
einfache von der jeweiligen akustischen Präsentation unabhängige Signalauswertung
kann dadurch bereitgestellt werden, daß eine abgeleitete Größe, beispielsweise
eine Differenz oder ein Quotient der beiden Antwortsignalanteile
ausgewertet wird. Durch die Auswertung der beiden Antwortsignalanteile
lassen sich nicht nur gerätetechnische
Störungen,
sondern auch Signalbeeinflussungen aufgrund des individuellen Hörvermögens weitgehend eliminieren.
Ebenfalls wird eine Veränderung
des Hörvermögens während der
Narkose hinsichtlich der Narkosesteuerung kompensiert und ansonsten
einfach detektiert. Eine Auswertung der Antwortsignale kann in Abhängigkeit
von der jeweiligen Amplitudenhöhe
im Zeitbereich oder unter Einbeziehung einer Analyse im Frequenzbereich
erfolgen. Ein typischer Modulationsgrad liegt in einem Bereich von
50 bis 100 %. Die Signalauswertung kann innerhalb eines vorgebbaren
Zeitfensters und gegebenenfalls unter Einbeziehung einer Signalmittelung
im Zeitbereich erfolgen.
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1 zeigt
eine Signalerzeugungseinrichtung (1), die über D/A
Wandler (2), Verstärker
(4) und Abschwächer
(3) mit akustischen Signalgebern (6) verbunden
ist. Die Signalgeber (6) können als Ohrsondenlautsprecher
(im Ohr) oder als externe, über Schläuche mit
dem Ohr verbundene Lautsprecher ausgebildet sein, die im Gehörgang des
Patienten (5) stekken. Zur Kontrolle und Erfassung des
im Gehörgang
vorliegenden akustischen Signals nehmen noch Mikrophone (7)
das im Gehörgang
vorliegende Signal auf.
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Die
Signalerfassungseinrichtung (8) dient der Registrierung
von EEG-Signalen und erfolgt über Oberflächen oder
Nadelelektroden (9) und Differenzvorverstärker (10).
In die aus Vor- und Endverstärker (11)
bestehende Verstärkerkette
sind Tiefpässe
(12) geschaltet. Diese dienen als anti-aliasing Filter. Bandpässe (13)
dienen zur Signalkonditionierung. Die Verstärker sind an Analog-Digital-Wandler
(14) angeschlossen. Den Analog-Digital-Wandlern (14) und
Digital-Analog-Wandlern
(2) sind Einlese- (15) und Ausgabespeicher (16)
zugeordnet. Der Kontrolle der im Ohr wirklich vorliegenden Schallpegel
und Signalformen dienen an die Gehörgangsmikrophone (7)
angeschlossene Mikrophonverstärker
(17). Diese sind über
anti-aliasing Filter (18) an Analog-Digital-Wandler (19) angeschlossen,
denen weitere Einlesespeicher (20) zugeordnet sind.
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2 veranschaulicht
die Erzeugung und Bereitstellung des akustischen Signals für die Ausgabespeicher
(16) im Bereich der Signalerzeugungseinrichtung (1).
Die Signalerzeugung ist der Einfachheit halber nur für eine Seite
im Detail dargestellt, die der anderen Seite ist entsprechend. Es
werden je Seite zwei amplitudenmodulierte Signale (23)
erzeugt die durch den Parametersatz (22) beschrieben sind.
Dieser ist durch die Trägerfrequenzen
f1, f2, die Modulationsfrequenzen
F1, F2 und durch
die Modulationstiefen R1, R2 für jeweils
eine Seite charakterisiert. Die Trägerfrequenzen f1,
f2 liegen im Hörbereich 200Hz–6kHz und
der Modulationsgrad beträgt
zwischen 50 und 100%. Die niedrigere der Modulationsfrequenzen beträgt ungefähr 40Hz,
die höhere
liegt günstiger
Weise bei ca. 80Hz.
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Die
Trägerfrequenzen
f1, f2 können identisch sein,
sowohl untereinander als auch mit denen auf der anderen Seite, können aber
auch unterschiedlich gewählt
werden. Die Länge
des erzeugten Zeitfensters t1 bestehend
aus wl Einzelwerten, ist so gewählt, daß sie Vielfachen
der Perioden der Trägerfrequenzen
f1, f2 und Vielfachen
der Perioden der Modulatorfrequenzen F1,
F2 entspricht, um eine kontinuierli che Ausgabe
zu ermöglichen.
Beide erzeugte Signale werden addiert (24).
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Alternativ
zur Kalibrierung des akustischen Signals über Bandpaßfilter wird das Signal durch eine
Transformation in den Frequenzbereich mit einer gespeicherten Kalibrierung
(25) des Lautsprechers durch Multiplikation (26)
mit der inversen Transferfunktion des Lautsprechers kalibriert und wieder
in ein Signal im Zeitbereich (27) zurückgewandelt. Das so erzeugte
und kalibrierte Signal wird in die Ausgabespeicher (16)
eingelesen. Dieses Signal wird zyklisch oder mit jeweils neu erzeugten
Blöcken
in dem Digital-Analog-Wandler
ausgelesen und als akustisches Signal ausgegeben.
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3 veranschaulicht
die Signalregistrierung und Signalauswertung. Das Eingangssignal
der Analog-Digital-Wandler (14) ist zunächst zwischengespeichert (15)
und wird in Zeitblöcken
der Länge
sl einem Spitzenwertdetektor (27) zur Erfassung von Störungen und
Bereichsüberschreitungen
zugeführt.
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Die
Länge des
Auswertungszeitfensters besteht aus sl Einzelwerten, die so gewählt sein
sollten, daß sie
Vielfachen der Perioden der Trägerfrequenzen
f1, f2 und Vielfachen
der Perioden der Modulatorfrequenzen F1,
F2 entsprechen, um die Notwendigkeit einer
Fensterung des Eingangssignals zu vermeiden. Die Ausgabe- und Einlesefensterlängen, die
durch die jeweiligen Sample-Raten und die Sample-Längen sl
und wl gegeben werden können,
müssen
aber nicht gleich sein.
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Der
Spitzenwertdetektor (27) dient zur Artefaktunterdrükkung durch
Verwerfen von Blöcken,
die Spitzen oberhalb eines Schwellwertes (TH) aufweisen. Die Anzahl
der Blöcke
in den letzten N eingegangenen Blöcken, die keine Überschrei tung
aufweisen, werden gewichtet summiert (28). Die Überschreitung
eines vorgewählten
Anteils (RejctMax) von Blöcken
mit Spitzen führt
zu einer Fehlermeldung (29, ALARM2), daß der Anteil auswertbarer Signale zu
gering ist.
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Blöcke die
keine Spitzenwerte > TH
aufweisen, werden im Zeitbereich gemittelt und einer Mittelwertbildung
(30) zugeführt.
Diese führt
eine kontinuierliche Mittelung im Sinne eines "running averages" über
eine vorgegebene Anzahl (N) der letzten eingegangenen Blöcke ohne
oder mit expotentieller Wichtung durch. Alternativ kann eine diskontinuierliche Mittelung
bis zu einer vorgegebenen Anzahl gültiger Blöcke durchgeführt werden.
Das Mittelwertsignal aus den gültigen
Blöcken
wird dann in den Frequenzbereich transformiert (31). Die
zur Beurteilung des Hörvermögens und
der Narkosetiefe dienenden Amplituden A1,
A2 bei den Frequenzen F1,
F2 werden aus diesem Spektrum gewonnen (32).
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Zur
Beurteilung der Aussagekraft des Signals dient weiterhin eine Abschätzung der Rauschamplituden
N1, N2 bei den Modulationsfrequenzen
F1, F2, die zusammen
mit ihren Standardabweichungen SD1, SD2 aus den Nachbarfrequenzlinien von F1, F2 gewonnen werden
(32). Die Amplituden A1, A2 werden weiterhin dahingegen geprüft ob sie auf
einem wählbaren
Signifikanzlevel über
dem geschätzten
Rauschen liegen (33). Eine fehlende Signifikanz einer der
beiden Amplituden führt
zu der Fehlermeldung ALARM3 (34).
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Zur
Kontrolle der akustischen Signale im Gehörgang wird das in den Einlesespeichern
(20) zwischengespeicherte Eingangssignal der Analog-Digital-Wandler
(14) in den Frequenzbereich transformiert (35).
Ein Unterschreiten der Sollamplituden (Aisoll)
unter Berücksichtigung
einer Toleranz (Δ)
bei den Frequenzen F1, F2 führt zu der
Fehlermeldung ALARM1 (36). Analoges gilt für das Überschreiten der
Sollwerte.
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Das
akustische Signal kann akustisch monaural oder binaural appliziert
werden. Bei einer Applizierung auf beide Ohren ist es möglich, während der Narkose
auftretende Veränderungen
im Bereich eines der Ohren zu erkennen und eine falsche Signalauswertung
hierdurch zu vermeiden. Bei einer Applizierung auf beide Ohren können die
Träger
und die Modulatoren identisch sein, es ist aber auch möglich, unterschiedliche
Träger
und/oder Modulatoren zu verwenden. Bei einer Verwendung von unterschiedlichen
Modulatoren kann über
beide Ohren eine unabhängige
Messung erfolgen.
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Gemäß einer
vereinfachten Ausführungsform
besteht das akustische Signal, das auf ein Ohr oder beide Ohren
appliziert wird, lediglich aus einer einzelnen Frequenz. Es ist
aber auch daran gedacht, für
jeden Modulator eine eigene Trägerfrequenz
zu verwenden. Darüber
hinaus ist es auch möglich,
ein bandbegrenztes Rauschen einzusetzen.