DE60132655T2

DE60132655T2 - Verfahren und Gerät zur Erzeugung eines 12 Leiter Elektrokardiogramms von weniger als 10 Elektroden

Info

Publication number: DE60132655T2
Application number: DE60132655T
Authority: DE
Inventors: Donald Eugene Cedarburg Brodnick
Original assignee: GE Medical Systems Information Technologies Inc
Current assignee: GE Medical Systems Information Technologies Inc
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: US7136693B2; US20040015089A1; JP4027091B2; EP1221299A3; US6636761B2; DE60132655D1; JP2002282229A; EP1221299A2; EP1221299B1; US20020087088A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiogramms (EKG) aus einer Vielzahl von weniger als zehn Elektroden zur Anbringung an einem Patienten in den standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-EGK-Positionen.
Ein standardmäßiges Ruhe-EKG wird mit zehn Elektroden aufgenommen. Vier von den zehn Elektroden sind an den Gliedmaßen des Patienten platziert. Sechs von den zehn Elektroden sind an der Brust des Patienten über dem Herzen angebracht. Die von den zehn Elektroden erfassten Signale werden verstärkt und verarbeitet, um zwölf Kanäle mit EKG-Daten zu erzeugen. Die zwölf Kanäle oder Ableitungen werden im Allgemeinen in zwei Gruppen unterteilt – die Frontalebenenableitungen (I, II, III aVR, aVL, aVF) und die Horizontalebenenableitungen (V1, V2, V3, V4, V5, V6).
Ein standardmäßiges Ruhe-EKG weist mehrere Einschränkungen auf. Erstens behindern die an der Brust des Patienten angebrachten sechs Elektroden den Zugang des Arztes zur Brust des Patienten. Zweitens können Ärzte nicht in der Lage sein, alle sechs Brustelektroden wegen von Wunden oder Verbänden an der Brust des Patienten anzubringen. Die zum Erfassen von zwölf Kanälen von EKG-Daten erforderlichen Elektroden, Zuleitungskabel und Verstärker erhöhen die Kosten des EKG-Gerätes. Viertens übersteigt die Menge der zwölf Kanäle eines EKGs repräsentierenden Daten im Allgemeinen die maximale Menge oder Bandbreite, die typische Telemetrieeinheiten übertragen können.
Das U.S. Patent Nr. 4 850 370 stellt eine Lösung für einige der vorstehend beschriebenen Einschränkungen bereit. Das '370 Patent offenbart ein Verfahren zum Messen und Analysieren der elektrischen Aktivität des menschlichen Herzens, indem die durch das Herz zwischen vier an den Schlüsselpositionen auf der Oberfläche des Patientenkörpers befindlichen Elektroden erzeugten Signale gemessen werden. Eine Signalverarbeitungseinheit erzeugt elektrokardiographische Signale, die den Ableitungssignalen eines Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiogramms entsprechen.
3 stellt die Elektrodenplatzierung für das Verfahren zum Erzeugen eines Zwölf-Ableitungen-EKGs aus vier Elektroden gemäß Offenbarung in dem '370 Patent dar. Die vier Elektroden sind mit E, A, S und I bezeichnet (welche hierin nachstehend zusammengenommen als die "EASI-Elektroden" bezeichnet werden). Die E-Elektrode befindet sich an der vorderen Mittellinie über dem unteren Ende des Brustbeins. Die A-Elektrode befindet sich an der linken mittleren Achselhöhlenlinie. Die S-Elektrode befindet sich an der vorderen Mittellinie über dem oberen Ende des Brustbeins. Die I-Elektrode befindet sich auf der rechten mittleren Achselhöhlenlinie.
Die EASI-Elektroden sind mit einem (nicht dargestellten) Signalprozessor mit einer ersten Stufe und einer zweiten Stufe verbunden. Die erste Stufe des Signalprozessors erzeugt kein Zwölf-Ableitungen-EKG, aber stattdessen xyz vektorkardiographische Signale. Das Zwölf-Ableitungen-EKG wird dann aus den xyz vektorkardiographischen Signalen in der zweiten Stufe des Signalprozessors abgeleitet. Als eine Folge der zweistufigen Signalverarbeitung wird jede von den aus den EASI-Elektroden erzeugten Zwölf-Ableitungen mathe matisch erzeugt. Mit anderen Worten, keine von den Ableitungen sind dieselbe wie die Ableitungen, die aus den elektrischen Signalen einer standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-EKG erzeugt würden.
Das Verfahren des '370 Patent hat mehrere Einschränkungen. Erstens, die vier Elektroden sind in nichtstandardmäßigen Positionen platziert, d. h. in Positionen, die sich von den Elektrodenpositionen für ein standardmäßiges Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-EKG unterscheiden. Dieses erfordert es, dass Ärzte spezifisch für das Verfahren des '370 Patentes trainiert werden müssen. Zweitens werden zwölf Ableitungen von EKG-Daten erzeugt, aber alle zwölf Ableitungen werden mathematisch erzeugt. Keine von den zwölf Ableitungen in dem Verfahren des '370 Patents ist dieselbe wie die Ableitung, die aus einem standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-EKG erzeugt würde. Stattdessen sind alle zwölf Ableitungen lediglich Annäherungen der Ableitungen des standardmäßiges Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-EKGs. Drittens sind zwei von den vier Elektroden direkt über dem Brustbein angeordnet. Das Brustbein wird für alle offenen Brustoperationen in einer als Sternotomie bezeichneten Prozedur aufgebrochen. Somit ist der Arzt nicht in der Lage, die zwei Elektroden direkt über dem Brustbein aufgrund von Sternotomiewunden und -verbänden zu platzieren.
US 6 119 035 offenbart ein System zum Synthetisieren des Zwölf-Ableitungs-Elektrokardiogramms. Alle Ableitungen für ein standardmäßiges Zwölf-Ableitungs-Elektrokardiogramm sind an einem Patienten angebracht. Der Benutzer entscheidet dann, welche Kombinationen von Elektrodensignalen aus allen an dem Patienten angebrachten Ableitungen zum Synthetisieren des Elektrokardiogramms benutzt werden.
Angesichts der vorstehend beschriebenen Einschränkungen besteht ein Bedarf nach einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Zwölf-Ableitungen-EKGs aus weniger als zehn Elektroden zur Anbringung an einem Patienten in den standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-EKG-Positionen.
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Demzufolge stellen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Zwölf-Ableitungen-EKGs aus weniger als zehn Elektroden zur Anbringung an einen Patienten in wenigstens einer von den standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-EKG-Positionen bereit.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung ist ein Gerät zum Erfassen und Verarbeiten von dem Herz eines Patienten erzeugten elektrischer Signale. Das Gerät enthält weniger als zehn Elektroden zur Anbringung an dem Patienten. Jede Elektrode wird in einer entsprechenden von den standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-EKG-Positionen angebracht. Die Vorrichtung enthält einen mit den Elektroden verbundenen Signalprozessor. Der Signalprozessor erfasst elektrische Signale aus den Elektroden und erzeugt ein Zwölf-Ableitungen-EKG aus den elektrischen Signalen. Der Signalprozessor erzeugt weniger als zwölf von den Ableitungen mathematisch.
Für ein Verfahren einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Vielzahl von weniger als zehn Elektroden an dem Patienten angebracht. Jede Elektrode wird in einer entsprechenden von den standardmäßigen zehn Elektroden, zwölf-Ableitungen-EKG-Positionen angebracht. Elektrische Signale werden aus den Elektroden erfasst und ein Zwölf-Ableitungen-EKG aus den erfassten elektrischen Signalen erzeugt. Aber nicht alle zwölf Ableitungen werden mathematisch erzeugt.
Eine Ausführungsform des Gerätes verwendet eine mehrfach lineare Regression unter Anwendung von Entwicklungskoeffizientengleichungen, um mathematisch weniger als zwölf von den Ableitungen zu erzeugen. Die Entwicklungskoeffizientengleichungen werden entweder aus EKGs aus einer allgemeinen Krankenhauspopulation oder aus einer Teilpopulation der allgemeinen Krankenhauspopulation oder aus zuvor von dem Patienten aufgenommenen EKGs ermittelt. Die Erfindung verwendet eine mehrfach lineare Regression zum Erzeugen der Ableitungen, die aufgrund der Verwendung von weniger als zehn Elektroden fehlen. Anders gesagt, es werden einige von den Ableitungen (für das Zwölf-Ableitungen-EKG) aus einer standardmäßigen elektrischen Manipulation der aus den Elektroden erfassten Signale erzeugt, während die restlichen Ableitungen mathematisch durch einen Signalprozessor erzeugt werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ferner eine Telemetrieeinheit, um elektrische Signale aus der Vielzahl von weniger als zehn Elektroden zu erfassen, und die elektrischen Signale an den Signalprozessor zum Erzeugen eines Zwölf-Ableitungen-EKGs zu übertragen.
Es ist ein Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung, die Anzahl von Elektroden, Leitungen und Verstärkern zu reduzieren, die zum Erfassen eines Zwölf-Ableitungen-EKGs erforderlich sind, während trotzdem einige von den standardmäßigen Elektrodenpositionen verwendet werden, die dem Arzt allgemein bekannt sind.
Es ist ein weiterer Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen eines Zwölf-Ableitungen-EKGs bereitzustellen, ohne alle zwölf Ableitungen mathematisch zu erzeugen.
Es ist noch ein weiterer Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung, ein Verfahren einer Elektrodenplatzierung bereitzustellen, das einen besseren Zugriff durch Ärzte auf die Brust des Patienten ermöglicht.
Es ist noch ein weiterer Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung, ein Verfahren einer Elektrodenplatzierung bereitzustellen, das eine Elektrodenplatzierung über dem Brustbein vermeidet, um Sternotomie-Wunden und Verbände auszuweichen.
Es ist noch ein weiterer Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung, die Bandbreite zu reduzieren, die zum Übertragen der ein EKG des Patienten repräsentierenden erfassten elektrischen Signale von einer Telemetrieeinheit an einen Signalprozessor erforderlich sind.
Es ist noch ein weiterer Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung, ein Telemetriesystem bereitzustellen, das in der Lage ist, das EKG von mehr als nur einem Patienten zu überwachen.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine die Erfindung verkörpernde Vorrichtung darstellt.
2 die Elektrodenplatzierung für ein standardmäßiges oder Ruhe-Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-EKG darstellt.
3 die Elektrodenplatzierung für das Verfahren des '370 Patentes darstellt.
4 die Elektrodenplatzierung für die bevorzugteste Ausführungsform der Erfindung darstellt.
5 die Elektrodenplatzierung für eine weniger bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Bevor eine Ausführungsform der Erfindung im ausführlich erläutert wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist, die in der detaillierten Beschreibung dargestellt oder in den nachfolgenden Zeichnungen veranschaulicht werden. Die Erfindung ist zu weiteren Ausführungsformen fähig und kann in verschiedenen Arten in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es dürfte sich auch verstehen, dass die hierin verwendete Sprachgebrauch und Terminologie nur dem Zweck der Beschreibung dienen und nicht als Einschränkung betrachtet werden sollten. Die Verwendung von "enthalten" und "aufweisen" und Variationen davon sollen alle hierin nachstehend aufgelisteten Elemente und Äquivalente davon so wie zusätzliche Elemente umfassen.
2 stellt die Elektrodenplatzierung für ein standardmäßiges oder Ruhe-Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-EKG (hierin nachstehend als "Standard-EKG" bezeichnet) dar. Für ein Standard-EKG werden zehn Elektroden am Körper eines Patienten angebracht. Eine Elektrode ist an jedem von den vier Gliedmaßen des Patienten an den Handgelenken und Fußgelenken angebracht. Diese Elektroden werden als linker Arm (LA), rechter Arm (RA), linker Unterschenkel (LL) und rechter Unterschenkel (RL) bezeichnet. Die RL-Elektrode dient im Wesentlichen als elektrische Masse. In der Praxis werden die Gliedmaßenelektroden an einem beliebigen Punkt entlang dem Gliedmaß von dem Handgelenk oder Fußgelenk aus zu dem Befestigungspunkt des Gliedes an dem Rumpf des Körpers befestigt. Gemäß Darstellung in 2 werden sechs Elektroden in den Standardpositionen auf der Brust um das Herz herum angebracht. Wie im Fachgebiet üblich, werden die zehn Elektroden über Zuleitungskabel und Widerstandsnetzwerke mit ausreichend Verstärkern verbunden, um zwölf getrennte EKG-Kanäle oder Ableitungen aufzunehmen.
Die zwölf Ableitungen werden in zwei Gruppen unterteilt: Die frontale Ebene und die horizontale Ebene. Wenn eine gerade Linie von dem Herzen zu jedem Handgelenk und jedem Fußgelenk gezogen würde, würden die vier Linien in der frontalen Ebene liegen. Ebenso würden, wenn eine gerade Linie von dem Herzen zu jeder der sechs Elektroden gezogen würde, die auf der Brust des Patienten angeordnet sind, die sechs Linien im Wesentlichen in der horizontalen Ebene liegen. Die Ableitungen in der frontalen Ebene werden als die frontalen Ableitungen, die Gliedmaßenableitungen oder die Einthoven-Ableitungen bezeichnet, und umfassen die Ableitungen I, II, III, aVR, aVL, und aVF. Die Ableitungen in der horizontalen Ebene werden als die horizontalen Ableitungen, die präkardialen Ableitungen, die Brustableitungen oder die unipolaren Ableitungen bezeichnet und beinhalten die Ableitungen, V1, V2, V3, V4, V5 und V6.
Die frontalen Ableitungen werden durch verschiedene Permutationen der LA-, RA- und LL-Elektroden erhalten, wobei die RL-Elektrode als elektrische Masse dient. Die Frontalableitungen bestehen aus dem Potential zwischen den zwei Gliedmaßenelektroden: Die Ableitung I entspricht dem Potential zwischen LA und RA, die Ableitung II entspricht dem Potential zwischen LL und RA, und die Ableitung III entspricht dem Potential zwischen LL und LA.
Die als die Goldberger'schen Ableitungen (augmented leads) bezeichneten Ableitungen aVR, aVL und aVF bestehen aus den Potentialen zwischen einer Elektrode und einem Bezugseingangssignal, wobei das Bezugseingangssignal der Mittelwert von zwei Elektroden ist. Beispielsweise ist die Ableitung aVF das Signal zwischen LL und einem Bezugseingangssignal, während das Bezugseingangssignal der Mittelwert der Potentiale an den Elektroden RA und LA ist.
Die horizontalen Ableitungen werden mit verschiedenen Permutationen der an der Brust des Patienten befestigten sechs Elektroden zusätzlich zu drei von den vier Gliedmaßenelektroden erhalten. Jede von den sechs horizontalen Ableitungen besteht aus dem Signal zwischen dem Potential an der speziellen Elektrode, die auf der Brust des Patienten platziert ist, und dem Potential an der Wilson-Elektrode (Wilson's central terminal). Die Wilson-Elektrode bezeichnet das Mittelwertpotential zwischen den RA, LA und LL Elektroden. Beispielsweise ist die Ableitung V1 das Signal zwischen der Elektrode V1 und der Wilson-Elektrode.
Kardiologen sind dafür ausgebildet, die feinen Charakteristischen von EKG-Wellenformen zu erkennen und die feinen Charakteristiken mit spezifischen kardiovaskulären Ereignissen und Bedingungen zu korrelieren. Im Wesentlichen ist jedes EKG-Gerät, das kein standardmäßiges Zwölf-Ableitungen-EKG erzeugt, unerwünscht, da die Kardiologen für ihre Interpretation von der Konsistenz von EKG-Wellenformen abhängen. Demzufolge stellen die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines standardmäßigen Zwölf-Ableitungen-EKGs aus weniger als zehn Elektroden bereit.
Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugen somit mehrere Ableitungen, welche dieselben wie die Ableitungen sind, die aus den elektrischen Signalen eines Standard-EKGs abgleitet würden. Bevor die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden, dürfte es sich verstehen, dass der wesentliche Punkt der Erfindung die Verwendung einer beliebigen Anzahl von Elektroden und einer beliebigen Konfiguration der Elektrodenplatzierung beinhaltet, sofern weniger als zehn Elektroden an dem Patienten in entsprechenden von den Standard-EKG-Positionen angebracht werden, und ein Zwölf-Ableitungen-EKG daraus abgeleitet wird.
Die bevorzugteste Elektrodenplatzierung ist in 4 dargestellt. Insbesondere stellt 4 die Elektrodenplatzierung für sechs Elektroden dar, die zum Erfassen elektrischer Signale von dem Herzen eines Patienten verwendet werden. Bevorzugt werden nur zwei Elektroden an der Brut des Patienten angebracht. V1 wird an dem Patienten angenähert bei dem vierten Zwischenrippenraum an der rechten Begrenzung des Patientenbrustbeins angebracht. V5 wird an dem Patienten angenähert an dem fünften Zwischenrippenraum an der vorderen Achselhöhlenlinie des Patienten angebracht. Vier Elektroden werden an den Gliedmaßen des Patienten angebracht. Die an dem rechten Arm, linken Arm und linken Unterschenkel angelegten Elektroden erfassen elektrische Signale, während die an dem rechten Unterschenkel angebrachte Elektrode im Wesentlichen als elektrische Masse dient.
In der bevorzugtesten Ausführungsform werden die Elektroden V2, V3, V4 und V6 nicht an dem Patienten angebracht. Somit müssen die den weggelassenen Elektroden entsprechenden Ableitungen V2, V3, V4 und V6 mathematisch abgeleitet werden. Jedoch müssen im Gegensatz zur bekannten Technik nur diese vier Ableitungen mathematisch abgeleitet werden. Acht von den Ableitungen, nämlich I, II, III, aVR, aVL, aVF, V1 und V5 werden in derselben Weise wie in dem standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-EKG erzeugt.
Die Elektroden V1 und V5 sind aus einer Anzahl von Gründen die bevorzugtesten Brustelektroden. Erstens ist die Information in der V1-Ableitung sehr wichtig für Ärzte. Die Ableitung V1 ist natürlich am genauesten, wenn eine Elektrode direkt in der V1-Position platziert ist. Zweitens stören die Positionen der V1- und V5-Elektroden nicht den Zu gang des Arztes zur Brust des Patienten so sehr wie die Positionen der V2-, V3- und V4-Elektroden. Selbst wenn sich die V1- und V5-Elektroden an ihrer Stelle befinden, ist der Arzt immer noch in der Lage, Zugang auf den Bereich der Brust unmittelbar am Herzen des Patienten zu bekommen. Beispielsweise kann der Arzt Sonden in dem Bereich der Brust unmittelbar am Herz des Patienten verwenden. Drittens kann der Arzt auch nicht in der Lage sein, die V2-, V3- und V4-Elektroden anzubringen, da der Patient Wunden oder Verbände aus chirurgischen Prozeduren haben kann, welche das Herz in dem Bereich der Brust betreffen, wo die V2-, V3- und V4-Elektroden normalerweise positioniert sind. Viertens wird die Elektrode V1 in der Nähe des Brustbeins, aber nicht direkt auf dem Brustbein platziert, was die Vermeidung von Brustbeinwunden und Verbänden ermöglicht.
Eine weniger bevorzugte Ausführungsform für die Elektrodenplatzierung der Erfindung ist in 5 dargestellt. 5 stellt ebenfalls die Elektrodenplatzierung für sechs Elektroden dar, die zum Erfassen von elektrischen Signalen vom dem Herz des Patienten verwendet werden. Wiederum werden nur zwei Elektroden an der Brust des Patienten angebracht. V2 wird an dem Patienten angenähert in dem vierten Zwischenrippenraum an der linken Begrenzung des Patientenbrustbeins angebracht. V5 wird an dem Patienten an der vorderen Achselhöhlenlinie angebracht. Wiederum werden vier Elektroden an den Patientengliedmaßen angebracht. Die an dem rechten Arm, linken Arm und linken Unterschenkel angebrachten Elektroden erfassen elektrische Signale, während die an dem rechten Unterschenkel angebrachte Elektrode im Wesentlichen als eine elektrische Masse dient.
Gemäß Darstellung in 5 sind die Elektroden V1, V3, V4 und V6 nicht an dem Patienten angebracht. Somit müssen die den fehlenden Elektroden entsprechenden Ableitungen V1, V3, V4 und V6 mathematisch abgeleitet werden. Wiederum müssen nur diese vier Ableitungen mathematisch abgeleitet werden. Acht von den Ableitungen, nämlich die Ableitungen I, II, III, aVR, aVL, aVF, V2 und V5 werden in derselben Weise wie in einem standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-EKG erzeugt. Ein Nachteil der weniger bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass die mathematisch abgeleitete V1-Ableitung nicht so genau wie die aus der Verwendung der V1-Elektrode erzeugte V1-Ableitung ist. Da die V1-Ableitung für Ärzte als wichtig erachtet wird, ist die V2- und V5-Elektroden verwendende Ausführungsform weniger erwünscht, obwohl die Ausführungsform im Wesentlichen akzeptable Ergebnisse erzeugt.
In beiden bevorzugten Ausführungsformen werden die vier fehlenden Ableitungen unter Verwendung eines als mehrfach lineare Regression bezeichneten mathematischen Verfahrens erzeugt. Mehrfach lineare Regression ist eine Technik, die zum Berechnen einer Prädiktion eines gegebenen Datensatzes aus zugeordneten Elementen anderer Datensätze verwendet wird. In der vorliegenden Erfindung sind diese "anderen" Datensätze entweder EKGs aus einer allgemeinen Population eines Krankenhauses, aus einer Teilpopulation der allgemeinen Krankenhauspopulation oder aus zuvor von dem Patienten erfassten EKGs. Bevorzugt basieren die Teilpopulationen des Krankenhauses im Wesentlichen auf einem oder mehreren Parametern, wie z. B. Geschlecht, Rasse, Alter, Gewicht, Größe oder Figur. Körperfigur bezieht sich auf eine Kombination von Körperbau, Größe und Gewicht. Im Allgemeinen werden die vier fehlenden Ableitungen auf der Basis der Beziehung zwischen den verfügbaren Ableitungen und einem Datensatz von zuvor erfassten EKGs berechnet.
Bevorzugt verwendet ein Algorithmus die mehrfach lineare Regressionstechnik, um die vier fehlenden Ableitungen zu erzeugen. Die Eingangsgröße in dem Algorithmus ist ein Datensatz von zuvor aufgenommen EKGs. Bevorzugt besteht der Datensatz aus zuvor erfassten EKGs aus der allgemeinen Population eines Krankenhauses oder von einer Teilpopulation der allgemeinen Krankenhauspopulation. Am bevorzugtesten besteht der Datensatz aus zuvor erfassten EKGs von dem speziellen Patienten.
Bevorzugt besteht der Datensatz aus zuvor erfassten EKGs, die mit einer Abtastrate zwischen 120 und 1000 pro Sekunde abgetastet worden sind. Somit besteht der Datensatz aus zwölf Spalten, welche jeweils den zwölf Ableitungen entsprechen mit Hunderten oder Tausenden von Zeilen von Abtastwerten, die den Spannungswert für jede von den zwölf Ableitungen entsprechen. Der Algorithmus führt eine mehrfach lineare Regression zwischen den Spalten der Ableitungsdaten aus. Insbesondere führt der Algorithmus eine mehrfach lineare Regression zwischen den Spalten der Ableitungsdaten aus, die den Elektroden entsprechen, die an dem Patienten angebracht sind, und den Spalten von Ableitungsdaten, die einer Elektrode entsprechen, die nicht an dem Patienten angebracht ist. Der Algorithmus erzeugt eine Gleichung aus den zuvor erfassten EKG-Daten, welche die Ableitungen, die aufgrund der weggelassenen Elektroden fehlen, als eine Funktion der Ableitungen definieren, die zur Verfügung stehen.
Beispielsweise erzeugt in der bevorzugten Ausführungsform der Algorithmus eine erste Gleichung zum Ermitteln des Wertes der Ableitung V2 auf der Basis der Werte der Ableitungen V1, V5, I und II. Die Eingangsgrößen zu dem Algorithmus sind fünf Spalten von Daten, die den zuvor erfassten EKG-Spannungswerten für die Ableitungen V1, V2, V5, I und II entsprechen. Die den Ableitungen V1, V5, I und II entsprechenden Daten werden mit den Spalten der der Ableitung V2 entsprechenden Daten verglichen. Der Algorithmus erzeugt eine Gleichung, die die Daten in den Spalten der V1, V5, I und II Ableitungen mit den Daten in der Spalte der V2-Ableitung in Beziehung bringt, indem die Summe des quadrierten Fehlers zwischen den fünf Datenspalten minimiert wird. Die erzeugte Gleichung liegt in der nachstehenden Form vor: y = β1x1 + β2x2 + β3x3 + β4x4 [1]wobei β₁, β₂, β₃ und β₄ die Entwicklungskoeffizienten für die Gleichung sind.
Ein Beispiel einer Entwicklungskoeffizientengleichung für die Ableitung V2 ist wie folgt: V2 = 1,58 × V1 + 0,23 × V5 – 0,09 × II + 0,89 × I [II]wobei y = V2, β₁ = 1,58, x₁ = V1, β₂ = 0,23, x₂ = V5, β₃ = 0,09, x₃ = II, β₄ = 0,89 und x₄ = I ist.
In derselben Weise wird eine Entwicklungskoeffizientengleichung für jede von den den weggelassenen Elektroden entsprechende Ableitung gewonnen. In der bevorzugtesten Ausführungsform wird eine getrennte Gleichung für jede von den Ableitungen V2, V3, V4 und V6 gewonnen. Somit werden die Spalten der den Ableitungen V1, V5, I und II entsprechenden Daten mit der Spalte von der Ableitung V3 entsprechenden Daten verglichen, um eine Entwicklungskoeffizientengleichung für die Ableitung V3 zu erzeugen. In gleicher Weise werden die Spalten der den Ableitungen V1, V5, I und II entsprechenden Daten mit der Spalte von der Ableitung V4 entsprechenden Daten verglichen, um eine Entwicklungskoeffizientengleichung für die Ableitung V4 zu erzeugen. Zum Schluss werden die Spalten der den Ableitungen V1, V5, I und II entsprechenden Daten mit der Spalte der der Ableitung V6 entsprechenden Daten verglichen, um eine Entwicklungskoeffizientengleichung für die Ableitung V6 zu erzeugen.
In der bevorzugtesten Ausführungsform wird, sobald die Entwicklungskoeffizientengleichungen abgeleitet sind, das Patienten-EKG nur mit den Brustelektroden V1 und V5 und den vier Gliedmaßenelektroden erfasst. Aus diesen sechs Elektroden werden acht Elektroden in derselben Weise wie für ein standardmäßiges EKG erzeugt. Vier von den zwölf Ableitungen müssen jedoch unter Verwendung der vorstehend abgeleiteten Entwicklungskoeffizientengleichungen ermittelt werden. Demzufolge werden die Entwicklungskoeffizientengleichungen zum Gewinnen von Spannungswerten für die vier fehlenden Ableitungen für jeden individuellen Abtastwert verwendet. Beispielsweise wird die Entwicklungskoeffizientengleichungen für die Ableitung V2 verwendet, um den Spannungswert der Ableitung V2 für jeden individuellen Abtastwert abzuleiten. In der bevorzugtesten Ausführungsform werden die Spannungswerte für jeden Abtastwert der Ableitungen V3, V4 und V6 in derselben Weise abgeleitet. Mit der Hinzufügung der Daten für die vier abgeleiteten Ableitungen besteht der Datensatz aus einem vollständigen Zwölf-Ableitungen-EKG.
1 veranschaulicht eine die Erfindung verkörpernde Vorrichtung 10. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung 10 ein Patientenüberwachungs- oder Patientendatenerfassungsgerät. Obwohl jedes Gerät zur Erfassung von EKG-Signalen, wie z. B. ein Monitor am Krankenbett, Transportmonitor oder ein so genannter Holter-Monitor, durch die Erfindung in Betracht gezogen wird, verwendet die Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform ein Telemetriebasierendes Überwachungsgerät. Die Vorrichtung 10 enthält sechs Elektroden 12, die an einem Patienten 14 angebracht werden können, Zuleitungskabel 16, die mit den Elektroden 12 verbunden sind, eine mit den Elektroden 12 über die Zuleitungskabel 16 verbundene Telemetrieeinheit 18, einen Signalprozessor 20, der drahtlos mit der Telemetrieeinheit verbunden ist, einen mit dem Signalprozessor 20 verbundenen Telemetriemonitor 22 und eine EKG-Speichereinrichtung 24, die mit dem Signalprozessor 20 verbunden ist.
Bevor das in der Vorrichtung 10 von 1 verkörperte Telemetriesystem beschrieben wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung auch in einem Monitor am Krankenbett implementiert sein könnte. Bei dem Monitor am Krankenbett wären die Elektroden 12 direkt mit dem Signalprozessor 20 durch Zuleitungskabel 16 in einer herkömmlichen Weise verbunden. Umgekehrt stellt 1 die Vorrichtung 10 mit einer Telemetrieeinheit 18 dar, welche drahtlos mit dem Signalprozessor 20 und dem Telemetriemonitor 22 verbunden ist. Herkömmliche Verfahren zur drahtlosen Übertragung werden verwendet, um die elektrischen Signale aus der Tele metrieeinheit 18 an den Empfänger 28 in dem Signalprozessor 20 zu übertragen.
Biopotential-Signale werden oft mittels Telemetrie, eine Technik, welche eine drahtlose Verbindung zwischen dem Patienten und den Signalverarbeitungskomponenten bereitstellt, verarbeitet. Somit können Ärzte einen Patienten überwachen, während der Patient seine volle Mobilität hat. Herkömmliche Telemetrieverfahren verwenden drei bis fünf Elektroden, sind aber nicht in der Lage, ein Zwölf-Ableitungen-EKG aus diesen drei bis fünf Elektroden zu erfassen. Der einschränkende Faktor in der Telemetrie ist die Bandbreite des an die Signalverarbeitungskomponenten zu übertragenden Signals. Demzufolge sind herkömmliche Telemetriemonitore nicht in der Lage, die erforderliche Bandbreite zu unterstützen, die für die Übertragung der ein gesamtes Zwölf-Ableitungen-EKG repräsentierenden elektrischen Signale erforderlich ist.
In den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden vier statt acht oder mehr Kanäle mit EKG-Daten aus der Telemetrieeinheit 18 an den Signalprozessor 20 übertragen. Demzufolge wird die erforderliche Bandbreite zum Übertragen der das Patienten-EKG repräsentierenden elektrischen Signale wenigstens auf die Hälfte reduziert. Aufgrund der verringerten Anzahl von Elektroden und der verringerten Bandbreite ist die Telemetrieeinheit 18 in der Lage, die elektrische Aktivität des Herzens des Patienten zu überwachen, während der Patient gleichzeitig seine volle Mobilität hat. Ferner ist die Vorrichtung 10 in der Lage, mehr Daten aus jedem einzelnen Patienten oder Daten von mehr als einem Patienten zu erfassen.
In den 1 und 4 werden gemäß dem Verfahren der bevorzugtesten Ausführungsform der Erfindung sechs Elektroden 12 an dem Patienten angebracht. Eine erste Elektrode (V1) wird angenähert an dem vierten Zwischenrippenraum an der rechten Begrenzung des Patientenbrustbeins angebracht. Eine zweite Elektrode (V5) wird angenähert an dem fünften Zwischenrippenraum an der vorderen Achselhöhlenlinie des Patienten angebracht. Vier zusätzliche Elektroden (LA, RA, LL und G) werden an den Gliedmaßen des Patienten angebracht. Elektrische Signale werden aus den sechs Elektroden 12 erfasst und über Zuleitungskabel 16 an die Telemetrieeinheit 18 übertragen. Die elektrischen Signale werden verstärkt und an den Empfänger 28 des Signalprozessors 20 übertragen.
In beiden bevorzugten Ausführungsformen reduziert die Verringerung der an dem Patienten angebrachten Elektroden 12 die Anzahl der Zuleitungskabel 16 und der (nicht dargestellten) Verstärker in der Telemetrieeinheit 18, die zum Erfassen der elektrischen Signale erforderlich sind. Bevorzugt sind nur sechs Zuleitungskabel 16 und vier Verstärker innerhalb der Telemetrieeinheit 18 für die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erforderlich.
Ein Softwaremodul 26 innerhalb des Signalprozessors 20 verwendet einen Algorithmus zum Berechnen der Entwicklungskoeffizientengleichungen für die vier fehlenden Ableitungen. Die Eingangsgröße in den Algorithmus ist bevorzugt ein Datensatz der zuvor aufgenommenen EKGs des Patienten. Der Datensatz wird bevorzugt in der EKG-Speichereinrichtung 24 des Krankenhauses gespeichert, auf den durch den Signalprozessor 20 des EKG-Gerätes 10 zugegriffen wird.
Die Vorrichtung 10 erfasst dann ein EKG für den Patienten. Die Telemetrieeinheit 18 überträgt die elektrischen Signale aus den Elektroden 12 an einen Empfänger 28 in dem Signalprozessor 20. Die vier fehlenden Ableitungen werden durch das Softwaremodul 26 in dem Signalprozessor 20 unter Verwendung der vorstehend abgeleiteten Entwicklungskoeffizientengleichungen berechnet. Alle zwölf Ableitungen, einschließlich der vier erzeugten Ableitungen werden dann für den Arzt auf einem Telemetriemonitor 22 dargestellt.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen und Verarbeiten elektrischer Signale, die von dem Herz eines Patienten erzeugt werden, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Vielzahl von weniger als zehn Elektroden (12), jede zur Anbringung an dem Patienten (14) in einer von den standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiographie-Elektrodenpositionen; und einen Signalprozessor (20), der mit sechs von den Elektroden (12) zum Erfassen elektrischer Signale aus den Elektroden (12) und zum Erzeugen eines Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiogramms aus dem elektrischen Signal verbunden ist, wobei einige von den Ableitungen für das Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiogramm aus einer standardmäßigen elektrischen Manipulation der aus den Elektroden erfassten Signale generiert werden, während die restlichen Ableitungen mathematisch durch den Signalprozessor generiert werden, wobei der Wert der Ableitung V2 auf der Basis der Werte der Ableitungen V1, V5, I und II unter Anwendung der nachstehenden Gleichung: V2 = 1,58 × V1 + 0,23 × V5 – 0,09 × II + 0,89 × Ierzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Elektroden (12) eine von (a) einer Elektrode zur Anbringung an dem Patienten ungefähr in dem vierten Zwischenrippenraum an der rechten Begrenzung des Brustbeins des Patienten und (b) einer Elektrode zur Anbringung an dem Patienten ungefähr in dem vierten Zwischenrippenraum an der linken Begrenzung des Brustbeins des Patienten enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens zwei von den Elektroden (12) an der Brust des Patienten in zwei von den standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiographiepositionen und wenigstens zwei von den Elektroden an den Gliedmaßen des Patienten in zwei von den standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiographiepositionen angebracht werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Ausgangssignal der an der Brust des Patienten anbringbaren Elektroden (12) ein erster und zweiter Datenkanal ist, und das Ausgangssignal der Elektroden (12), die an den Gliedmaßen des Patienten anbringbar sind, ein dritter und vierter Datenkanal ist; und der Signalprozessor (20) dafür eingerichtet ist, die Datenkanäle zu erfassen und ein Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiogramm aus den erfassten Datenkanälen zu generieren.
Verfahren zum Erfassen und Verarbeiten elektrischer Signale, die von dem Herz eines Patienten erzeugt werden, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Anbringen einer Vielzahl von weniger als zehn Elektroden (12) an dem Patienten, wobei der Schritt der Anbringung das Anbringen jeder Elektrode in einer von den standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiographie-Elektrodenpositionen beinhaltet; und Erfassen elektrischer Signale aus sechs von den Elektroden; und Generieren eines Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiogramms aus den erfassten elektrischen Signalen, wobei einige von den Ableitungen für das Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiogramm aus einer standardmäßigen elektrischen Manipulation der aus den Elektroden erfassten Signale generiert werden, während die restlichen Ableitungen mathematisch durch den Signalprozessor generiert werden, wobei der Wert der Ableitung V2 auf der Basis der Werte der Ableitungen V1, V5, I und II unter Anwendung der nachstehenden Gleichung: V2 = 1,58 × V1 + 0,23 × V5 – 0,09 × II + 0,89 × Ierzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt der Anbringung einer Vielzahl von Elektroden (12) ferner den Schritt der Anbringung einer Elektrode (12) in einem von (a) ungefähr dem vierten Zwischenrippenraum an der rechten Begrenzung des Brustbeins des Patienten und (b) ungefähr dem vierten Zwischenrippenraum an der linken Begrenzung des Brustbeins des Patienten enthält.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt der Anbringung die Anbringung von wenigstens zwei von den E lektroden (12) an der Brust des Patienten in zwei von den standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiographiepositionen und die Anbringung von wenigstens zwei von den Elektroden (12) an den Gliedmaßen des Patienten in zwei von den standardmäßigen Zehn-Elektroden-, Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiographiepositionen beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Erfassung elektrischer Signale aus den Elektroden die Schritte aufweist: Erfassen eines ersten und zweiten Datenkanals aus den an der Brust des Patienten angebrachten Elektroden (12); Erfassen eines dritten und vierten Datenkanals aus den an der Gliedmaßen des Patienten angebrachten Elektroden (12); und Generieren eines Zwölf-Ableitungen-Elektrokardiogramms aus den erfassten Datenkanälen.