DE19842400C2 - Verfahren zur Bestimmung der Ähnlichkeit von gemessenen periodischen oder quasi-periodischen Signalen medizinischer Sensorsysteme - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung der Ähnlichkeit von gemessenen periodischen oder quasi-periodischen Signalen medizinischer SensorsystemeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Ähnlichkeit
von gemessenen, periodischen oder quasi-periodischen Signalen medizi
nischer Sensorsysteme durch Digitalisierung und Normierung der
Signale und Vergleich von Signalabschnitten der gemessenen Signale
mit einer Vielzahl von in einer Datenbank gespeicherten Signalab
schnitten durch die Abarbeitung einer Rechenvorschrift, deren Ergeb
nisse als Maß für die Ähnlichkeit der verglichenen Signale verwend
bar sind.
Konventionelle EKG-Auswertesysteme, beispielsweise nach US 5,022,404,
erfassen ein oder mehrere Elektrodenpotentiale von am Patienten
befestigten Elektroden und filtern und digitalisieren die erfaßten
Signale. Anschließend werden diese Signale über einen Multiplexer
einem im EKG-Auswertesystem vorhandenen Mikrocomputer zugeführt.
Dieser berechnet die für die medizinische Bewertung des EKG erfor
derlichen, medizinischen Ableitungen nach Wilson, Goldberger, Eint
hoven und/oder die orthogonalen Ableitungen nach Frank. Diese medizinischen
Ableitungen werden entweder auf Papierstreifen und/oder
elektronischen Displays dargestellt und vom auswertenden Arzt bewer
tet. Beispielsweise durch US 5,029,082 sind sogenannte auswertende
Elektrokardiografen bekannt, bei denen der im Gerät vorhandene
Mikrocomputer außer zur Signalaufbereitung und -anzeige auch zur
Signalauswertung, Signalvermessung und ggf. zur Ausgabe von diagno
stischen Hinweisen verwendet wird.
Die Signalvermessung und -auswertung erfolgt in der Regel so, daß
aus den berechneten, medizinischen Ableitungen eine Anzahl von für
die kardiologische Begutachtung des EKG wichtigen, einzelnen Signal
parametern hinsichtlich Zeitdauer und Amplitude bzw. daraus abgelei
teten Kriterien ermittelt werden. Problematisch bei dieser Ermitt
lung einzelner Signalkenngrößen sind die unterschiedlichen Herange
hensweisen, wie z. B. bei der exakten Bestimmung der Nullinie des EKG
zur Bestimmung des Anfangspunktes der P-Welle und der daraus folgen
den Ermittlung der Dauer der P-Welle, die je nach Qualität des
eingesetzten Verfahrens durchaus wesentlich abweichende Ergebnisse
liefern.
Es ist bekannt, nur Teilsignale der ermittelten, periodischen oder
quasi-periodischen Signale auszuwerten, beispielsweise das ST-Seg
ment, die T-Welle, den QRS-Abschnitt, den QRST-Komplex usw. Die
Auswertung der unterschiedlichen Signalabschnitte hinsichtlich des
Ortes, der Länge und ggf. der Frequenzstruktur läßt Aufschlüsse für
spezielle Diagnosen zu, z. B. die Auswertung des ST-Segments für die
Feststellung von Ischämien. Die ermittelten Signalkenngrößen werden
üblicherweise direkt zusammen mit dem Signalverlauf des EKG auf
einem Papierstreifen ausgedruckt oder auf einem Display angezeigt.
Zur Ausgabe diagnostischer Hinweise werden in einem mehr oder weni
ger komplizierten und verzweigten Entscheidungsbaum die einzelnen,
ermittelten Signalkenngrößen miteinander zu sinnvollen, diagnosti
schen Hinweisen verknüpft.
In US 5,437,278 ist ein medizinisches Diagnosesystem beschrieben,
bei dem digitalisierte, medizinische Daten über den Zustand eines
Patienten mit in einem Speicher abgelegten, zu einem früheren Zeit
punkt bestimmten, ebenfalls digitalisierten, medizinischen Daten des
selben Patienten verglichen werden. Aus dem Vergleich wird eine
Diagnose über den aktuellen Zustand des Patienten abgeleitet.
Aus der DE 196 38 738 A1 ist ein Verfahren zur Ableitung diagnosti
scher Informationen aus Signalen und Daten medizinischer Sensorsy
steme der eingangs erwähnten Art bekannt. Dieses Verfahren ermög
licht es, die von einem Patienten aufgenommenen Meßdaten von einem
oder mehreren Sensorkanälen durch einen Vergleicher mit in Meßdaten
banken gespeicherten Meßdaten vergleichbarer Sensorkanäle von Refe
renzmessungen hinsichtlich ihres Signalmusters so zu vergleichen,
daß aus den Meßdatenbanken diejenigen Referenzmessungen ausgewählt
werden, die zu der vom Patienten aufgenommenen Messung sowohl hin
sichtlich der Signalmuster vergleichbarer Sensorkanäle die größte
Ähnlichkeit als auch eine größtmögliche Anzahl der in den Meßdaten
am meisten übereinstimmenden und einander entsprechenden Sensorkanä
le besitzen. Mit Hilfe der zu den Referenzmessungen der Meßdatenbank
gehörigen Informationen und deren Vergleich mit den zu den Patienten
gehörenden Informationen wird auf eine dem Patienten mit einer
bestimmten Wahrscheinlichkeit zutreffende, diagnostische Aussage
geschlossen. Für die Durchführung des Vergleichs der Daten der
gemessenen Signale mit den entsprechenden in der Datenbank abgespei
cherten Signalen wird eine Rechenvorschrift abgearbeitet, deren
Ergebnis als Maß für die Ähnlichkeit der verglichenen Signale ver
wendbar ist. Die Abarbeitung dieser Rechenvorschrift für die zahl
reichen, durchzuführenden Vergleiche mit den in der Datenbank abge
speicherten Signalen benötigt eine nicht unerhebliche Rechenzeit.
Der Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, bei einem
Verfahren der eingangs erwähnten Art den jeweiligen Vergleich von
gemessenen Signalen mit in der Datenbank abgespeicherten Signalen in
möglichst kurzer Rechenzeit durchzuführen.
Ausgehend von dieser Problemstellung ist das Verfahren der eingangs
erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sich aus
den Daten der Datenbank ergebende Teilergebnisse für die Rechenvor
schrift berechnet und zugehörig zu den jeweiligen Signalabschnitten
als zugehörige Datenbank abgespeichert werden und daß für die Ab
arbeitung der Rechenvorschrift die in der zugehörigen Datenbank
abgespeicherten Teilergebnisse abgerufen und verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Rechenvor
schriften zur Quantifizierung der Ähnlichkeit von zu vergleichenden
Signalen regelmäßig einen erheblichen Anteil an Termen beinhalten,
die sich allein aus den Daten jeweils eines der zu vergleichenden
Signale ergeben. Erfindungsgemäß werden die betreffenden Terme für
die in der Datenbank abgespeicherten Signale vorab berechnet und die
so ermittelten Teilergebnisse in einer zugehörigen Datenbank mit
einer Zuordnung zu dem jeweiligen Signalabschnitt der Datenbank
abgespeichert. Für die Durchführung der Rechenvorschrift können
daher die vorberechneten Teilergebnisse aus der zugehörigen Daten
bank abgerufen werden, so daß für die Abarbeitung der Rechenvor
schrift der zugehörige Term nicht mehr berechnet zu werden braucht,
da das entsprechende Teilergebnis bereits bekannt ist. Hierdurch
läßt sich erhebliche Rechenzeit einsparen, da die vorberechneten
Teilergebnisse für jeden der betreffenden, abgespeicherten Signal
abschnitte, die für den Vergleich heranzuziehen sind, nicht mehr
berechnet zu werden brauchen.
Besonders zweckmäßig ist für die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, wenn auch die sich für die Abarbeitung der Rechenvor
schrift allein aus den Daten der gemessenen Signale ergebenden
Teilergebnisse vor der Durchführung des Vergleichs berechnet und in
einem Zwischenspeicher abgespeichert und zur Durchführung des Ver
gleichs aus dem Zwischenspeicher abgerufen werden. Dadurch ist es
möglich, daß zur Durchführung des Vergleichs nur noch solche Teil
ergebnisse der Rechenvorschrift erstellt werden müssen, die gemischt
aus gemessenen Daten und aus abgespeicherten Daten der Datenbank
gebildet werden.
Zur Durchführung des jeweiligen Vergleichs werden in bekannten
Algorithmen die Signalverläufe einer relativen schrittweisen, zeitli
chen Verschiebung um jeweils Δt unterworfen, bis die zu vergleichen
den Signalverläufe mehr oder weniger deckungsgleich übereinander
liegen. Die Durchführung dieser schrittweisen Verschiebung kann
erfindungsgemäß dadurch erleichtert werden, daß in der zugehörigen
Datenbank auch solche Teilergebnisse abgespeichert werden, die sich
aus der zeitlichen Verschiebung des jeweiligen Signalabschnitts um
vorgegebene Schritte Δt innerhalb eines Zeitintervalls m.Δt ergeben.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung sche
matisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zweier zu vergleichender
Signalmusterabschnitte einer EKG-Ableitung V1.
In Fig. 1 ist schematisch ein temporärer Speicher 1, eine EKG-Daten
bank 2, eine zugehörige Datenbank 3 und eine Rechenvorschrift 4
dargestellt, mit der die Ähnlichkeit der im temporären Speicher 1
gespeicherten Daten eines gemessenen Test-EKGs 5 mit den Daten von
Vergleichs-EKGs 7 der EKG-Datenbank 2 berechnet wird. Für die Ab
arbeitung der Rechenvorschrift 4 werden Teilergebnisse 6, die sich
allein aus den Daten des gemessenen EKGs 5 ergeben, im temporären
Speicher vorberechnet und abgespeichert, während entsprechende
Teilergebnisse 8, die sich aus den Daten der in der EKG-Datenbank 2
abgespeicherten Vergleichs-EKGs 7 allein ergeben, in der EKG-Daten
bank 2 oder in einer externen, zugehörigen Datenbank 3 abgespeichert
werden.
Eine Ableitung des gemessenen Test-EKGs 5 wird beispielsweise durch
eine Reihe X aus N Abtastwerten xn und die entsprechende Ableitung
eines Vergleichs-EKGs 7 aus der Datenbank 2 durch eine Reihe Y mit N
Abtastwerten yn beschrieben. Als Maß für die Ähnlichkeit der ver
glichenen Ableitungen wird der Korrelationskoeffizient:
verwendet. Vor der Berechnung des Korrelationskoeffizienten werden
sowohl das gemessene Test-EKG 5 als auch die Vergleichs-EKGs 7 der
Datenbank 2 auf einen gewählten R-R-Abstand normiert. Diese Normie
rung erfolgt durch lineares Stauchen oder Strecken der Zeitachse,
wobei die Abtastwerte xn, yn nach der Normierung neu berechnet werden
(Resampling). Die Notwendigkeit der Neuberechnung der Abtastwerte
ergibt sich aus der Forderung, daß die Abtastfrequenzen der zu
vergleichenden Signale identisch sein müssen. N ist in Gleichung (1)
die Anzahl der Abtastwerte des Ausschnitts der zu vergleichenden
Ableitung des Test-EKGs. Zur Berechnung der Korrelationskoeffizienten
nach Gleichung (1) werden die Ausdrücke:
für jedes Datenbank-EKG einmal berechnet und zusammen mit anderen
Informationen über die Ableitung des Datenbank-EKGs als numerische
Information 8 in der Datenbank 3 abgelegt. Solche zusätzlichen,
numerischen Informationen können z. B. die R-Zacken-Position oder die
R-Zackenamplitude der einzelnen Ableitungen der Datenbank-EKG sein.
Analog zu den Datenbank-EKG 7 werden auch bei dem Test-EKG 5 nach
der Auswahl eines repräsentativen Signalabschnitts und der Normie
rung die Ausdrücke:
einmal berechnet sowie mit weiteren, numerischen Informationen 6 in
einem temporären Speicher 1 zwischengespeichert.
Die Berechnung der Korrelationskoefizienten erfolgt nun mit der aus
Gleichung (1) abgeleiteten Rechenvorschrift 4:
für jedes Datenbank-EKG. Die entsprechenden, vorberechneten Terme und
sonstigen numerischen Werte 8 für die jeweilige Ableitung des momentan
verglichenen Datenbank-EKGs werden aus der Datenbank 3 ausgelesen und
die entsprechenden, vorberechneten Terme und andere Werte 6 für das
Test-EKG aus dem Zwischenspeicher 1. Nur der Summenterm:
aus Gleichung (1) bzw. (6) muß für jeden Vergleich neu berechnet
werden (Fig. 1).
Durch diese Verfahrensweise werden in diesem Beispiel eine große
Anzahl von immer wiederkehrenden Rechenoperationen durch einfache
Speicher- bzw. Datenbankzugriffe ersetzt. Damit wird ein schneller
Vergleich von Ableitungen eines Test-EKGs 5 mit einer sehr großen
Anzahl von vergleichbaren Ableitung von Datenbank-EKG 7 möglich.
Zwei Ableitungen sind ähnlich, wenn ihre Signalverläufe im Ergebnis
einer schrittweisen Verschiebung um Δt mehr oder weniger deckungs
gleich übereinanderliegen (Fig. 1). Dies bedeutet, daß dann auch die
R-Zacken übereinander liegen müssen. Ausgehend von dieser Überlegung
wird die Korrelation in der Weise durchgeführt, daß die R-Zacken des
Test- und des Referenz-EKGs übereinander gelegt werden und der Korre
lationskoeffizient an dieser Stelle berechnet wird (Fig. 2). Da es
unter Umständen schwierig ist, die Lage der R-Zacke in einer Ablei
tung genau zu bestimmen, wird der Korrelationskoeffizient in einem
Intervall m.Δt links und rechts von der angenommenen R-Zackenposition
des Datenbank-EKGs berechnet. Dies bedeutet, daß in der Datenbank zu
jeder Ableitung für die Verschiebung 1 . . . m.Δt die Terme (2) und (3)
links und rechts von der R-Zackenposition ebenfalls vorgerechnet und
abgespeichert werden. Das Maximum der so berechneten Werte des
Korrelationskoeffizienten wird als Maß für die Ähnlichkeit der
verglichenen Signalabschnitte verwendet.
Claims (6)
1. Verfahren zur Bestimmung der Ähnlichkeit von gemessenen, peri
odischen oder quasi-periodischen Signalen (5) medizinischer
Sensorsysteme durch Digitalisierung und Normierung der Signale
und Vergleich von Signalabschnitten der gemessenen Signale (5)
mit einer Vielzahl von in einer Datenbank (2) gespeicherten
Signalabschnitten (7) durch die Abarbeitung einer Rechenvor
schrift (4), deren Ergebnisse als Maß für die Ähnlichkeit der
verglichenen Signale verwendbar sind, dadurch gekennzeichnet,
daß sich aus den Daten der Datenbank (2) ergebende Teilergeb
nisse (8) für die Rechenvorschrift (4) berechnet und zugehörig
zu den jeweiligen Signalabschnitten als zugehörige Datenbank
(3) abgespeichert werden und daß für die Abarbeitung der Re
chenvorschrift (4) die in der zugehörigen Datenbank (3) gespei
cherten Teilergebnisse (8) abgerufen und verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
zugehörige Datenbank (3) für die Teilergebnisse (8) in die
Datenbank (2) für die Daten der Signalabschnitte (7) integriert
ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die sich für die Abarbeitung der Rechenvorschrift (4) allein
aus den Daten der gemessenen Signale (5) ergebenden Teilergeb
nisse (6) vor der Durchführung des Vergleichs berechnet und in
einem Zwischenspeicher (1) abgespeichert und zur Durchführung
des Vergleichs aus dem Zwischenspeicher (1) abgerufen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Durchführung des Vergleichs nur noch solche Teilergebnisse der
Rechenvorschrift (4) erstellt werden, die gemischt aus Daten
des gemessenen Signals (5) und abgespeicherten Daten (7) der
Datenbank (2) gebildet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß in der zugehörigen Datenbank (3) auch solche
Teilergebnisse abgespeichert werden, die sich aus der zeitli
chen Verschiebung des jeweiligen Signalabschnittes (7) um vor
gegebene Schritte (Δt) innerhalb eines Zeitintervalls (m.Δt)
ergeben.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet
durch die Verwendung einer Rechenvorschrift (4) zur Bestimmung
eines Korrelationskoeffizienten.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE19842400A DE19842400C2 (de) | 1998-09-16 | 1998-09-16 | Verfahren zur Bestimmung der Ähnlichkeit von gemessenen periodischen oder quasi-periodischen Signalen medizinischer Sensorsysteme |
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DE19842400A1 DE19842400A1 (de) | 2000-04-13 |
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19842400C2 (de) |
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Title |
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BOUSSELJOT, Ralf: Aufbau der EKG Datenbank CARDIODAT der PTB, In: Biomedizinische Technik, 1994, Band 39, Ergänzungsband, S. 250 f. * |
Also Published As
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DE19842400A1 (de) | 2000-04-13 |
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Legal Events
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