NO312793B1 - Fremgangsmåte for å bestemme minst en diagnostisk informasjon fra signalmönstre fra medisinske sensorsystemer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for evaluering av målte periodiske eller kvasiperiodiske signaler fra medisinske sensorsystemer ved digitalisering av signalet og sammenligning av signalavsnitt fra det målte signalet med lagrede sammenlignbare signalavsnitt.

Karakteristiske kjente tekniske løsninger:

De i den tilgjengelige litteraturen beskrevne fremgangsmåtene for evaluering av likhet i signalmønstere i periodiske signaler begrenser seg som regel til signaler fra den samme pasienten.

Således er det kjent å gjennomføre en korrelasjon av EKG-signaler som er målt under normale omstendigheter og filtrert med løpende, dvs. forstyrrede henholdsvis sykdomsrelaterte EKG-signaler. Et ytterligere eksempel er US 5.240.009. Her blir det beskrevet gjenkjenning av rytmeforstyrrelser ved sammenligning av gjennomsnitts-beregnede og lagrede bølgeformkomplekser av de aktuelle målingene fra den samme pasienten. Også i DE 32 09 850 blir rytmeforstyrrelser klassifisert. Dette skjer ved sammenligning av det fullstendige forløpet av EKGet med et EKG-forløp som er registrert i en tidligere lærefase eller er beregnet for den undersøkte pasienten og det fullstendige lageret av et eksempel av EKG-signalet for hver klasse av rytmeforstyrrelser for den undersøkte pasienten. Alle de tidligere løsningene har til felles at de kun muliggjør sammenligning av EKG eller deler av EKG på den samme pasienten.

EKG-evalueringssystemer, for eksempel ifølge US 5.022.404, måler ett eller flere elektrodepotensialer fra elektroder festet på pasienten, filtrerer og digitaliserer disse. Deretter blir disse signalene tilført over en multiplekser i en mikrodatamaskin med CPU, arbeidsminne osv., som er til stede i EKG-tolkingssystemer. Denne bearbeider de målte signalene, for eksempel ved fjerning av grunnlinjedriften ifølge DE 4.106.856, US 5.357.969 eller fjerning av muskelartefakter fra EKGet ifølge US 5.259.387. Dessuten beregner den de for den medisinske tolkningen av EKG nødvendige utledningene ifølge Wilson, Goldberger, Einthoven og/eller den ortogonale avledningen ifølge Frank. I det enkleste tilfellet blir disse medisinske avledningene enten fremstilt på papirstrimler og/eller elektroniske displayer, for eksempel i US 5.022.404 på LCD-display, og tolket av den ansvarlige legen. Mer intelligente, såkalte tolkende elektrokardiografer, anvender mikrodatamaskinen som er til stede i utstyret, dessuten til signalbearbeiding og fremvisning for signaltolkning, signaloppmåling og eventuelt for oppgaven å gi diagnostisk henvisning, som for eksempel i US 5.029.082.

Signalmålingen og -evalueringen skjer som også nedenfor blir beskrevet nærmere i de kommenterte patentskriftene, som regel slik at det fra den beregnede medisinske avledningene blir målt et antall, for det cardiologisk skjønn av EKG viktige, enkelte signalparametre med hensyn på varighet og amplitude hhv. derav utledede kriterier. Det som er problematisk ved disse målingene av enkelte signalparametre er de forskjellige referansene, slik som for eksempel den eksakte bestemmelsen av nullinjen til EKG/!/ for bestemmelse av startpunktet for P-bølgen og den derav følgende målingen av varigheten for P-bølgen, som alt etter kvaliteten til den anvendte fremgangsmåten gir et gjennomgående avvikende resultat. Patentskriftene er blant annet DE 43 10 412 (evaluering av ST-segmentet hhv. T-bølgen), DE 39 27 709 (evaluering av ST-stykket), US 5.159.932 (filtrering av EKG, QRS-identifisering, middelverdiberegning) eller US5.020.540 (analyse av frekvensstrukturen til QRST-komplekset, bølgeform-templat). Ytterligere relevante patentskrifter inneholder målingen av de enkelte parametrene i EKG hhv. de for erkjennelse av begrensede diagnostiske utsagn, for eksempel i US 4.930.075 (evaluering av ST-segmentet for bestemmelse av iskemier), US 5.025.794 (metode for bidireksjonal bestemmelse av senpotensialet), US 5.355,891 (automatisk signalmiddel ved slagutløsning for gjenkjennelse av senpotensialet), US 5.341.811 (HP-filtrering av minst to kanaler, veid middel, anvendelse av adaptive filtre for undertrykkelse av samme takt, senpotensialgjenkjenning) eller DE 43 04 269 (utnyttelse av ST-stykket for evaluering av akutte iskemiske skader).

De målte signalparametrene blir uttrykt eller angitt direkte sammen med EGKets signalforløp. For fremstilling av diagnostiske henvisninger blir de enkelte målte signalparametrene knyttet sammen med hverandre i et mer eller mindre komplisert og forgrenet beslutningstre til meningsfylte diagnostiske henvisninger. Dette skjer eksempelvis i programmer som ligger til grunn for datamaskin-EKG-utstyret. Slike beslutningstre kan eksempelvis ha følgende form: "Når parameter 1 er i forbindelse med parameter 3 og/eller parameter 4 opptrer og det i den medisinske avledningen er virksom en samtidig betingelse 1, kan det derav sluttes det diagnostiske utsagnet xyz". På denne måten kan det for hver kjente diagnose bli bygget opp et beslutningstre på grunnlag av enkelte målte signalparametre fra EKGet i sin avledning. Denne fremgangsmåten er på grunn av det store antallet av inndata og parametre svært kostbar og forutsetter omfangsrik cardiologisk kunnskap hhv. erfaring. Endinger eller forbedringer i den fremgangsmåten for utregning av de enkelte parametrene, påvirkningen av empirisk bestemte terskelverdier eller nye medisinske kunnskaper krever delvis kostbare programmeringsendringer og funksjonstest og er således forbundet med større kostnader, hhv. krever nytt EKG-utstyr med de omarbeidede programmene. Patentet US 5.355.892 beskriver således et EKG-system med portable lagringsmedier (diskettstasjon) for lagring av så vel EKG og pasientinformasjoner , for eksempel for sykehusinformasjonssystemer som også for senere nedlasting eller aktualisering av algoritmer for EKG-evaluering.

I US 5.437.278 blir det beskrevet et medisinske diagnosesystem hvor de digitaliserte medisinske data vedrørende tilstanden til en pasient blir sammenlignet med medisinske data som er bestemt ved et annet tidspunkt og er digitalisert og er lagret i et lager.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den problemstillingen å tilveiebringe mulig evaluering uavhengig av en ikke endelig sikret medisinsk konklusjon og på automatisk form fra periodiske eller kvasiperiodiske signaler ved forbedret signalsammenligning.

For løsning av dette problemet er det ifølge oppfinnelsen fremskaffet en fremgangsmåte av den nevnte typen som er kjennetegnet ved at perioden til de målte signalene blir normert til en forhåndsbestemt periodevarighet og at de med en bestemt samplingsfrekvens digitaliserte verdiene til et avsnitt av det målte og på en forhåndsbestemt periodevarigheten normerte signalet, blir sammenlignet med for den samme samplingrfekvensen dannede verdier til et tilsvarende fra i en database lagret og på den samme på forhånd bestemte periodevarigheten normert signal.

Evalueringen av de målte signalene ifølge oppfinnelsen for oppnåelse av diagnostisk informasjon skjer således utelukkende ved en sammenligning av signaler med et signalmønster som er lagret i en database.

For forbedring av sammenlignbarheten til de målte signalene med tilsvarende signaler lagret i en database, blir ifølge oppfinnelsen sammenligningssignalet i databasen normert til en forhåndsbestemt periodevarighet og digitalisert med en forhåndsbestemt samplingsfrekvens. På tilsvarende måte blir det målte signalet normert til den samme forhåndsbestemte periodevarigheten og digitalisert med den samme samplingsfrekvens. På denne måten er det spesielt for første gang mulig å sammenligne tilsvarende signaler fra forskjellige pasienter.

For måling i flere kanaler, slik som for eksempel forekommer ved EKG og EEG, blir på hensiktsmessig måte evaluering av de forskjellige sensorkanalene foretatt med lagrede signalavsnitt fra den tilsvarende eller i det minste sammenlignbare sensorkanalen.

Sammenligningen av det aktuelle målte signalmønsteret med signalet lagret i databasen skjer fortrinnsvis ved beregning av en korrelasjonskoeffisient for hvert avsnitt i det målte signalet med alle eller utvalgte signaler som er lagret i databasen, og det på et sted eller på flere steder, hvorved korrelasjonskoeffisientene blir anvendt som mål for likheten mellom de sammenlignede signalene. Derved blir kun en del av den diagnostiske informasjon som ble funnet under målingen, benyttet, til gjengjeld anvender man en enkel og hurtig fremgangsmåte som muliggjør gjennomføring av de nødvendige tallrike sammenlikningene. Dersom det blir bestemt flere korrelasjonskoeffisienter, blir maksimum korrelasjonskoeffesient fortrinnsvis anvendt som mål for likheten.

Ved gjennomføring av en sammenligning av en korrelasjonskoeffisient blir måledataene som skal sammenlignet med hverandre, forskjøvet i forhold til hverandre for på kjent måte å danne korrelasjonsfunksjonen.

Det er tenkbart at signalmønstrene som er lagret i databasen og som alle er blitt digitalisert med den samme samplingrfekvensen, likeledes må omregnes til en normert periodevarighet for å gjennomføre sammenlikningene. Fordelaktig er det imidlertid om signalmønstrene allerede foreligger i databasen normert til den bestemte periodevarigheten og som tilsvarende digitaliserte data.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gir den mulig å gjøre slutning fra signalsarnmenlikning med en medisinsk diagnose, idet de i databasen lagrede signalene er tilordnet medisinske diagnoser og etter et flertall sammenlikninger foretatt fra et voksende antall overensstemmelser med lagrede data med en bestemt medisinsk diagnose blir det avledet en sannsynlighet for at det foreligger den bestemte medisinske diagnosen med hensyn på de målte signalene.

Utførelseseksempel:

Oppfinnelsen blir nedenfor nærmere forklart ved et utførelseseksempel. I de dertil hørende figurene viser

Fig. 1 en skjematisk fremstilling av fremgangsmåtetrinnene i EKG-eksempelet

Fig. 2 fremstilling av en avledning av et slag av et EKG for sammenlikning før normeringen. Fig. 3 fremstilling av avledningen av et slag av et EKG for sammenligning etter normeringen. Fig. 4 fremstilling av korrelasjonsfunksjonen til to godt korrelerte avledninger av EKG fra forskjellige pasienter. Fig. 5 fremstilling av korrelasjonsfunksjonen til to dårlig korrelerte avledninger av EKG fra forskjellige pasienter.

I det etterfølgende utførelseseksempelet blir de enkelte fremgangsmåtetrinnene i elektrocardiogram-eksempelet forklart (fig.l). Mål for en sammenligning for EKG-signaler er det for hver avledning av et målt EKG å finne den eller de sammenlignbare EKG-signalene som er mest mulig i samsvar med hensyn til sitt signalmønster. Dette skjer ved en normering av EKG-signalet ved hjelp av beregningen av korrelasjonsfunksjonen, som gir et mål for overensstemmelsen i signalmønsteret til to signalutsnitt.

Da hvert EKG har en individuell rytme med grunnleggende signalmønster, henholdsvis at det også innenfor et EKG kan være sterke svingninger i hjerterytmen, er en direkte mønstersammenlikning over beregningen av korrelasjonsfunksjonen ikke mulig. Selv ved identisk signalmønster fører imidlertid forskjellig hjerteråte til forskjellige avledninger som fører til forskjellige resultater for den direkte beregningen av korrelasjonsfunksjonen. For likevel å muliggjøre en sammenlikning blir den i signalmønsteret til EKGet oppnådde informasjonen holdt skilt fra signalrytmen. Derved blir det mulig ved en normering av signalmønsteret å sammenlikne i EKG fra flere pasienter (med forskjellig hjerteråte) for eksempel med en enhetlig, fiktiv hjerteråte i EKG med hensyn på deres signalmønstre ved hjelp av korrelasjon.

Praktisk skjer dette ved "sammenpressing" eller "strekking" av tidsaksen til sammenliknbare signalavsnitt til avledningen av database-EKG som også det målte EKG til en lik, fiktiv lengde.

Går man eksempelvis ut fra et slag som sammenlignbart signalavsnitt (fig. 2 og 3), blir RR-avstandene i avledningene som skal sammenliknes for eksempel presset sammen eller strukket. Ved det på forhånd angitte antallet samplingsverdier i avledningen endrer imidlertid dens samplingsfrekvens ved denne tilpasningen av tidsaksen. Da beregningen av korrelasjonsfunksjonen forutsetter lik samplingsfrekvens i signalavsnittene som skal sammenliknes, er det nødvendig med en nyberegning av samplingsverdiene

(resampling) av den sammenpressede eller utstrukkede avledningen av det målte EKG for eksempel ved lineær interpolasjon.

Denne fremgangsmåten fører til at også avledninger med for eksempel forskjellige hjertefrekvenser (forskjellige RR-avstander), men med det samme signalmønsteret gir like resultater ved beregning av korrelasjonsfunksjonen.

Korrelasjonsfunksjonen blir for hver avledning av referanse-EKG beregnet med den tilsvarende avledningen for hvert database-EKG, for eksempel ifølge ligning (1) og (2). Variablene Xn og Yn kjennetegner de diskrete datasettene som er tatt ut referanse-EKG X og database-EKG Y som gir verdier. Antallet punkter N som funksjonen kan bli dannet på gir seg ut fra lengden til signalavsnittet som sammenliknes. For signalmønsteravsnittene til hver avledning i EKG som skal sammenliknes, blir det for eksempel anvendt EKG-signalets periode. For sammenlignbarheten til EKG som inneholder flere avledninger, er det nødvendig at de anvendte tidsavsnittene for hver avledning blir klippet ut til det samme tidspunktet i EKGet. De utklippede periodene inneholder eksempelvis signalavsnittene P-bølge, QRS-kompleks og T-bølge. Disse signalmønstrene blir etter normering av tidsmålestokken sammenlignet med minst en slagperiode i database-EKGet. Tilsvarende den periodiske karakteristikken til database-EKGet er korrelasjonsfunksjonen igjen en periodisk funksjon. Figur 4 viser forløpet av korrelasjonsfunksjonen ved god overensstemmende signalmønstre til de korrelerte signalmønstrene med en utpreget amplitudeverdi nær verdien 1. Figur 5 viser derimot korrelasjonsfunksjonen ved mindre godt overensstemmende signalmønstre. Amplituden til korrelasjonsfunksjonens positive maksimum ligger her under verdien 0,5.

Ifølge den ovenfor formulerte målsetningen blir det søkt det godt overensstemmende - signalmønsteret. Av denne grunnen blir kun den positive maksimalverdien M; til korrelasjonsfunksjonen bestemt. Letingen etter dette maksimum skjer ved verdsetting av amplituden under samtidig hensyntagen til signalets periodisitet. Avhengig av forskjellene mellom de enkelte EKG-slagene i en avledning (slagvariasjon) avviker amplituden til de periodiske maksima Mj fra hverandre.

Derfor blir det i et videre trinn søkt det absolutte maksimum M fra de periodiske maksima M; ifølge ligning (3).

Den således oppnådde størrelse M er et mål for overensstemmelsen til de med hverandre sammenlignede avledningene.

Desto større likheten til signalmønstrene er, desto større er verdien til M. Ved fullstendig overensstemmelse av mønstrene er M=l. Resultatene av disse beregningene gir en tabell (tabell 1) hvis spalteelementer inneholder for hver avledning den absolutt maksimalverdi M til de enkelte korrelasjonsfunksjonene ifølge ligning (1). Radene i tabellen blir dannet av de for sammenligning benyttede database-EKGene. For identifisering av database-EKGene er det benyttet et EKG-nummer.

Tabell 1 viser resultatene fra mønstersammenligning for de første 10 database-EKGer så vel som for avledningene VI til V6 og Frank-avledningene Vx, Vy, Vz. For database-EKG 1 kan det leses at avledningen VI overensstemmer med sammenlignings-EKG med den maksimale korrelasjon Mvi=0,93444, mens for avledning V4 er den kun Mv4<=>0,21569.

Det er klart for den medisinske fagmannen at EKG-signaler målt i ro regelmessig skal sammenlignes. Under en belastning av pasienten erfarer de målte EKG-signaler en forandring av signalformen som med hensyn på systolen hovedsakelig forblir uforandret, men som med hensyn på diastolen imidlertid blir betydelig forkortet på grunn av den høyere hjertefrekvensen. Dersom belastnings-EKG skal bli tatt inn i sammenligningen, må tilsvarende signalforandring for denne pasienten ved belastning i forhold til EKG under ro, bli tatt hensyn til.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for evaluering av målte periodiske eller kvasiperiodiske signaler fra medisinske sensorsystemer ved digitalisering av signalene og sammenligning av signalavsnitt i de målte signalene med lagrede sammenlignbare signalavsnitt, karakterisert ved at perioden til de målte signalene blir normert til en forhåndsbestemt periodevarighet og at de med en bestemt samplingsfrekvens digitaliserte verdiene til et avsnitt av det målte og på en forhåndsbestemt periodevarigheten normerte signalet, blir sammenlignet med for den samme samplingrfekvensen dannede verdier til et tilsvarende fra i en database lagret og på den samme på forhånd bestemte periodevarigheten normert signal.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at signalavsnitt fra forskjellige pasienter blir sammenlignet med hverandre.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert v e d at for flerkanals måling av signaler blir de enkelte sensorkanalene sammenlignet med lagrede signaler fra sammenlignbare sensorkanaler.

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3, karakterisert ved at for hvert avsnitt i de målte signaler blir det med signalene i alle eller utvalgte mønstre lagret i databaseen beregnet en korrelasjonskoeffesient på et sted eller flere steder og denne blir anvendt som mål for likheten mellom de sammenlignede signalene.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det fra den beregnede korrelasjonskoeffesienten blir dannet en korrelasjonsfunkjon.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4 eller 5, karakterisert v e d at det ved beregningen blir benyttet flere korrelasjonskoeffisienter hvis maksimum blir anvendt som mål for likheten mellom de forskjellige signalene.

7. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1 til 6, karakterisert ved at signalmønstrene som er lagret i databasen, allerede er lagret normert til den bestemte periodetiden og som tilsvarende digitaliserte data.

8. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1 til 7, karakterisert v e d at det for EKG-signalene blir valgt periodevarigheten i signalmønsteret som tilsvarer RR-avstanden og/eller middelverdien til flere RR-avstander.

9. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 8, karakterisert v e d at for EKG-signaler med konstaterbar R-taggposisj on blir korrelasjonskoeffisienten kun bestemt på det sted hvor R-taggene i områdene som skal sammenlignes, ligger over hverandre.

10. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 9, karakterisert ved at for EKG-signaler uten konstaterbare R-taggposisj oner blir korrelasjonsfunksjonen beregnet over minst en periode av EKG-signalet.

11. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 10, karakterisert ved at de i databasen lagrede signalene er tilordnet medisinske diagnoser og at etter et flertall foretatte sammenligninger av et stort antall overensstemmelser med lagrede signaler med en bestemt medisinsk diagnose blir avledet en sannsynlighet for tilstedeværelsen av den bestemte medisinske diagnosen med hensyn på det målte signalet.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11,karakterisert ved at lengden av avsnittet er valgt slik at den kun inneholder en del av en diagnostisk informasjon.