DE102006039957A1

DE102006039957A1 - Verfahren zur Auswertung der Herzratenvariabilität

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Publication number: DE102006039957A1
Application number: DE102006039957A
Authority: DE
Inventors: Reinhard D. Dr. Beise
Original assignee: Biosign GmbH
Current assignee: Biosign Medical UGhb
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2026-08-26
Also published as: US7860560B2; DE102006039957B4; US20080058662A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten mehrerer Abtastfolgen fh,i(kTs) mit i = 1, 2, 3, ..., m und k = 0, 1, 2, ..., n, wobei jede Abtastfolge fh,i(kTs) die Abtastfolge der Herzfrequenz fh eines Patienten über den Zeitraum n . Ts darstellt. Um einen Parameter der HRV bereitzustellen, der es einem Patienten mittels HRV-Biofeedback erlaubt, den eigenen RSA-Zustand zuverlässig zu stabilisieren, sind die folgenden Verfahrensschritte vorgesehen: Ermittlung einer Verteilungsfunktion Fh,i(f) für jede Abtastfolge fh,i(kTs) als Funktion der Frequenz, Bestimmung eines ersten Integralanteils Imax,i der Verteilungsfunktion Fh,i(f) für einen ersten Frequenzbereich, wobei der erste Frequenzbereich ein Maximum der Verteilungsfunktion Fh,i(f) umfasst, Bestimmung eines zweiten Integralanteils Iref,i der Verteilungsfunktion Fh,i(f) für einen zweiten Frequenzbereich, der zusätzliche oder andere Frequenzbereiche als den ersten Frequenzbereich umfasst, Normierung der Integralanteile Imax,i und Iref,i mit einem Normierungsfaktor Kref mit $F1 und $F2 derart, dass für den zweiten Integralanteil die Bedingung $I3 >= 1 erfüllt ist, Bestimmung eines Parameters HRVi für jede Abtastfolge fh,i(kTs) mit den jeweiligen Integralanteilen $I4 und $I5 mit einer funktion $I6 gemäß $F7 wobei die Funktion $I8 für jeden Integralanteil $I9 die Bedingungen F10 und F11 erfüllt, und wobei die Funktion I12 der erste und zweite Frequenzbereich sowie ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten mehrerer Abtastfolgen f_h,i(kT_s) mit i = 1, 2, 3, ..., m und k = 0, 1, 2, ..., n, wobei jede Abtastfolge f_h,i(kT_s) die Abtastfolge der Herzfrequenz f_h eines Patienten über den Zeitraum n·T_s darstellt.
Die Frequenz des Herzschlags (f_h) ist nicht konstant, sondern unterliegt natürlichen Schwankungen. Diese Veränderung der Frequenz des Herzschlags wird als Herzratenvariabilität (HRV) bezeichnet. Zur Bestimmung der HRV werden in der Regel die von einem Elektrokardiographen (EKG) oder von einem Pulssensor gelieferten Herzschläge pro Zeiteinheit für eine vorgegebene Abtastperiode (T_s) interpoliert, so dass für jedes Vielfache der Abtastperiode ein Wert der Herzfrequenz zur Verfügung steht. Die Abtastperiode kann beispielsweise T_s = 0,1 s betragen, die entsprechende Abtastfrequenz (f_s) beträgt dann f_s = 10 Hz. Auf der Grundlage dieser Abtastfolge der Herzfrequenz f_h(kT_s) mit k = 0, 1, 2, ... sind eine Vielzahl von Berechnungs- und Auswertemethoden für die HRV bekannt. In "Heart Rate Variability: Standards of Measurement, Physiological Interpretation and Clinical Use, Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology, Circulation, Vol. 93 No. 5, March 1, 1996" sind einige dieser Berechnungs- und Auswertemethoden beschrieben.
Ziel jeder Berechnungsmethode der HRV ist es, bestimmte Aussagen darüber zu treffen, in welcher Weise die HRV von bestimmten Körperzuständen beeinflusst wird.
Allgemein kann gesagt werden, dass die HRV ein Maß für die Anpassungsfähigkeit des Körpers an innere und äußere Belastungen ist und im Wesentlichen durch Schwankungen des Herz-Kreislauf-Zustands beeinflusst wird. Umgekehrt wird daher versucht, bestimmte HRV-Parameter als Indikatoren für bestimmte Herz-Kreislauf-Zustände heranzuziehen. Der Herz-Kreislauf-Zustand wird wiederum maßgeblich von den beiden Komponenten des vegetativen Nervensystems, dem Sympathikus und dem Parasympathikus gesteuert. Der Sympathikus kontrolliert die inneren Organe derart, dass bei außergewöhnlichen Anstrengungen eine plötzliche Leistungssteigerung des Körpers erreicht werden kann, während der Parasympathikus als Gegenspieler des Sympathikus dem Stoffwechsel, der Regeneration und dem Aufbau körpereigener Reserven dient.
In Ruhe- bzw. Entspannungszuständen ist die HRV beispielsweise dadurch charakterisiert, dass die Herzfrequenz in einem sehr regelmäßigen Rhythmus zunimmt und wieder abnimmt, und zwar etwa 6-mal pro Minute. Bei einer Spektralanalyse einer diesem Zustand entsprechenden Abtastfolge der Herzfrequenz f_h(kT_s) ist dann ein sehr ausgeprägtes Frequenzmaximum bei ca. 0,1 Hz zu erkennen. Dieser relativ stabile Herzrhythmus wird dadurch erklärt, dass die Herzfrequenz sich hier direkt mit der Atemfrequenz ändert. Bei der Einatmung nimmt demnach die Herzfrequenz aufgrund des erhöhten venösen Rückflusses zu, während sie bei der Ausatmung dann wieder abnimmt. Dieser Zustand wird Respiratorische Sinus-Arrhythmie (RSA) genannt (als Sinus-Arrhythmie bezeichnet man im Allgemeinen die unregelmäßige Schlagfolge des Herzens infolge unregelmäßiger Reizbildung im Sinusknoten).
Außerhalb des RSA-Zustands (also in der Regel bei Stressbelastung) ist die HRV dagegen durch ein breites Spektrum mit Frequenzanteilen zwischen 0 ... 0,8 Hz gekennzeichnet, wobei die mittlere Leistungsdichte dieses Spektrums mit steigender Frequenz abnimmt.
Es ist weiterhin bekannt, den Herz-Kreislauf-Zustand eines Patienten mit so genannten Biofeedbackverfahren gezielt zu beeinflussen. Bei diesen Verfahren wird ein geeignetes Körpersignal (also z.B. ein HRV-Parameter oder auch der elektrische Hautwiderstand) gemessen und dem Patienten angezeigt, wobei der Patient in Abhängigkeit des angezeigten Wertes sein Verhalten so ändern soll, dass ein angestrebter Herz-Kreislauf-Zustand erreicht wird.
Beim HRV-Biofeedback wird demnach ein HRV-Parameter online ermittelt und durch Aufbereitung dem Patienten in geeigneter Weise angezeigt. Ziel ist es, dem Patienten ein HRV-Biofeedbacksignal zu liefern, das eine Aussage darüber erlaubt, ob sein Körper sich gerade in einem angestrebten Herz-Kreislauf-Zustand befindet oder nicht. Zeigt das HRV-Biofeedbacksignal eine Abweichung des angestrebten Herz-Kreislauf-Zustands an, kann der Patient sein Verhalten entsprechend anpassen, um wieder in den angestrebten Herz-Kreislauf-Zustand zurückzukehren. Das HRV-Biofeedbackverfahren kann also beispielsweise angewendet werden, um den Patienten gezielt in einen RSA-Zustand zu versetzen. Man geht dabei davon aus, dass der RSA-Zustand dazu beitragen kann, dass bestimmte körpereigene Regelprozesse wieder effizienter stattfinden können, so dass der RSA-Zustand vor allem bei der Behandlung von Patienten mit psychosomatischen Störungen hilfreich sein kann.
Grundsätzlich sind aus dem Stand der Technik verschiedene Parameter der HRV bekannt, die jeweils als Indikator für den RSA-Zustand verwendbar sein sollen. Als gebräuchliche Bezeichnung für den RSA-Zustand findet sich im Stand der Technik in diesem Zusammenhang oft der Begriff "Entrainment Modus".
WO 00/051677 A2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, um einen HRV-Parameter aus einer über die Fourier-Transformation ermittelten Frequenzverteilung einer gegebenen Abtastfolge der Herzfrequenz f_h(kT_s) zu bestimmen. Der HRV-Parameter soll eine Aussage darüber liefern, ob der Patient sich im RSA-Zustand befindet oder nicht. Der RSA-Zustand soll wiederum dann erreicht sein, wenn die HRV des Patienten von einer breiten Frequenzverteilung mit mittlerer Amplitude zu einer schmalen Frequenzverteilung mit hoher Amplitude übergeht.
Aus "Heart Rate Variability: Standards of Measurement, Physiological Interpretation and Clinical Use, Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology, Circulation, Vol. 93 No. 5, March 1, 1996" ist es weiterhin bekannt, die Frequenzverteilung der HRV mit einem Leistungsverhältnis LF/HF zu analysieren, wobei LF die Leistung der HRV in dem Frequenzbereich 0,04-0,15 Hz und HF die Leistung der HRV in dem Frequenzbereich 0,15-0,4 Hz ist.
Insgesamt hat es sich aber gezeigt, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Parameter der HRV als HRV-Biofeedbacksignale zum Erreichen des RSA-Zustands nicht optimal geeignet sind. Bislang wurde noch kein Parameter gefunden, der es dem Patienten zuverlässig erlaubt, durch Veränderung seiner Atemfrequenz über HRV-Biofeedback den RSA-Zustand zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Parameter der HRV bereitzustellen, der es einem Patienten mittels HRV-Biofeedback erlaubt, den eigenen RSA-Zustand zuverlässig zu stabilisieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf einer gezielten Modifikation des aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsverhältnisses LF/HF. Als Problem wurde bei dem Leistungsverhältnis LF/HF erkannt, dass dieses Leistungsverhältnis als HRV-Biofeedbacksignal eine zu geringe Dynamik liefert, d.h. die Maximal- und Minimalwerte des HRV-Biofeedbacksignals variieren in Abhängigkeit von den Herz-Kreislauf-Zuständen des Patienten (einschließlich des RSA-Zustands) um einen zu geringen Faktor. Im Gegensatz dazu stellt die Erfindung HRV-Biofeedbacksignale mit höheren Dynamiken bereit, die es dem Patienten ermöglichen, auf Veränderungen des Biofeedbacksignals schnell zu reagieren und damit den RSA-Zustand besser zu stabilisieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst für jede Abtastfolge f_h,i(kT_s) die folgenden Schritte:
Ermittlung einer Verteilungsfunktion F_h,i(f) für jede Abtastfolge f_h,i(kT_s) als Funktion der Frequenz,
Bestimmung eines ersten Integralanteils I_max,i der Verteilungsfunktion F_h,i(f) für einen ersten Frequenzbereich, wobei der erste Frequenzbereich ein Maximum der Verteilungsfunktion F_h,i(f) umfasst,
Bestimmung eines zweiten Integralanteils I_ref,i der Verteilungsfunktion F_h,i(f) für einen zweiten Frequenzbereich, der zusätzliche oder andere Frequenzbereiche als den ersten Frequenzbereich umfasst,
Normierung der Integralanteile I_max,i und I_ref,i mit einem Normierungsfaktor K_ref mit Ĩmax,i = Kref*Imax,i und Ĩref,i = Kref*Iref,i derart, dass für den zweiten Integralanteil die Bedingung Ĩ_ref,i ≥ 1 erfüllt ist,
Bestimmung eines Parameters HRV_i für jede Abtastfolge f_h,i(kT_s) mit den jeweiligen Integralanteilen Ĩ_max,i und Ĩ_ref,i mit einer Funktion f(Ĩ_ref) gemäß HRVi = Ĩmax,i*f(Ĩref,i),wobei die Funktion f(Ĩ_ref) für jeden Integralanteil Ĩ_ref,i die Bedingungen
und
erfüllt, und
wobei die Funktion f(Ĩ_ref), der erste und zweite Frequenzbereich sowie der Normierungsfaktor K_ref für alle m ausgewerteten Abtastfolgen f_h,i(kT_s) gleich sind.
Der Integralanteil Ĩ_max repräsentiert den aus dem Stand der Technik bekannten LF-Anteil, während der Integralanteil Ĩ_ref dem aus dem Stand der Technik bekannten HF-Anteil entspricht.
Die Steigerung der Dynamik des HRV-Biofeedbacksignals wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsverhältnis LF/HF der HF-Anteil stärker gewichtet wird. Diese Maßnahme beruht wiederum auf der Erkenntnis, dass der LF-Anteil und der HF-Anteil verschiedene Einflüsse auf die Indikatorwirkung hinsichtlich des RSA-Zustands haben. In zahlreichen Patientenversuchen wurden im Einzelnen die folgenden Zusammenhänge zwischen dem LF-Anteil und dem HF-Anteil auf der einen Seite sowie der resultierenden Indikatorwirkung festgestellt:
1. Wahrscheinlichkeit für das Eintreten eines RSA-Zustands
1 zeigt den festgestellten Zusammenhang zwischen der normierten Kreuzkorrelation des LF-Anteils und des HF-Anteils bei einer Verschiebung 0 und dem Eintreten des RSA-Zustands. Ein Wert von 100% auf der Abzisse entspricht dem Normalprodukt der beiden Autokorrelationen des LF-Anteils und des HF-Anteils für die Verschiebung 0. Wenn also die Verläufe vom LF-Anteil und vom HF-Anteil über die Zeit stark korrelieren, dann besteht auch eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein RSA-Zustand eingetreten ist. Dieser Zusammenhang ist unabhängig von den tatsächlichen Beträgen des LF-Anteils und des HF-Anteils, weshalb das Verhältnis LF/HF aufgrund dieses Zusammenhangs einen quasi geeichten Parameter der HRV liefert. Betragsschwankungen des LF-Anteils und des HF-Anteils können auf diese Weise wirkungsvoll ausgeglichen werden.
2. Indikatorwirkung LF/HF in Abhängigkeit des LF-Anteils
2 zeigt den festgestellten Zusammenhang zwischen dem normierten Betrag des LF-Anteils und der Indikatorwirkung des Verhältnisses LF/HF im Hinblick auf den RSA-Zustand. Es hat sich gezeigt, dass Änderungen des Betrags des LF-Anteils praktisch keinen Einfluss auf die Indikatorwirkung hinsichtlich des Verhältnisses LF/HF haben.
3. Indikatorwirkung LF/HF in Abhängigkeit des HF-Anteils
3 zeigt den festgestellten Zusammenhang zwischen dem normierten Betrag des HF-Anteils und der Indikatorwirkung des Verhältnisses LF/HF im Hinblick auf den RSA-Zustand. Es hat sich gezeigt, dass Betragsänderungen des HF-Anteils im Gegensatz zum LF-Anteil einen merklichen Einfluss auf die Indikatorwirkung des Verhältnisses LF/HF haben. Aus dem festgestellten Zusammenhang gemäß 3 geht darüber hinaus hervor, dass HF-Anteile mit großen Beträgen gegenüber HF-Anteilen mit kleinen Beträgen einen zuverlässigeren HRV Parameter aufgrund des Verhältnisses LF/HF liefern.
4. Indikatorwirkung LF in Abhängigkeit des LF-Anteils
4 zeigt schließlich den festgestellten Zusammenhang zwischen dem normierten Betrag des LF-Anteils und der Indikatorwirkung des LF-Anteils im Hinblick auf den RSA-Zustand. Hier wird nur der LF-Anteil als HRV Parameter herangezogen. Es hat sich gezeigt, dass mit steigendem Betrag des LF-Anteils auch die Wahrscheinlichkeit für einen RSA-Zustand steigt. Gleichzeitig muss allerdings beachtet werden, dass der LF-Anteil oft große Betragsschwankungen mit einer großen Varianz aufweist, was aus der Darstellung gemäß 4 nicht hervorgeht. Dies bedeutet aber, dass der LF-Anteil keinen normierten HRV Parameter liefert und somit als alleiniger Parameter für Biofeedback-Verfahren ungeeignet ist.
Die Zusammenhänge gemäß den 1-4 lassen sich wie folgt zusammenfassen:

– Das Verhältnis LF/HF ist als HRV Parameter für die Erkennung des RSA-Zustands vor allem deswegen geeignet, da Schwankungen in den Beträgen des LF-Anteils und des HF-Anteils wirkungsvoll kompensiert werden. Auf diese Weise entsteht ein quasi geeichter Wert, dessen Betrag von den Messbedingungen (wie etwa interne Verstärkungsfaktoren, die Wahl des Auswerteverfahrens, etc.) weitgehend unabhängig wird.
– Der alleinige LF-Anteil liefert als HRV Parameter für die Erkennung des RSA-Zustands eine wesentlich bessere Dynamik als das Verhältnis LF/HF, allerdings besteht hier wiederum das Problem der Eichung des Wertes. Ein bestimmter Wert (also beispielsweise der Wert 100) kann dann von Gerät zu Gerät eine ganz unterschiedliche Indikatorwirkung haben, so dass jedes Gerät vom Patienten erst individuell geeicht werden muss.
– Hohe Beträge des HF-Anteils sind im Hinblick auf die Indikatorwirkung des Verhältnisses LF/HF aussagekräftiger als niedrige Beträge.

Die Erfindung optimiert diese Zusammenhänge und findet quasi einen optimalen Kompromiss zwischen der guten Dynamik des LF-Anteils und der zuverlässigen Eichfunktion des LF/HF Verhältnisses. Erfindungsgemäß wird demnach der Integralanteil Ĩ_max nicht mit dem Kehrwert 1/Ĩ_ref multipliziert, sondern mit der Funktion f(Ĩ_ref), wobei die Funktion f(Ĩ_ref) bestimmten Randbedingungen unterworfen ist, um den besagten Kompromiss zu erreichen. Zur Erläuterung dieser Randbedingungen zeigt 5 ein X-Y-Koordinatensystem mit den Funktionen y = 1/x, y = 1/√x und y = 1. Der Normierungsfaktor K_ref wird für alle Ĩ_ref,i so gewählt, dass Ĩ_ref,i ≥ 1 erfüllt ist. Außerdem gilt erfindungsgemäß die Betragsbedingung
so dass alle möglichen Funktionen f(Ĩ_ref) Werte in dem schraffierten Gebiet annehmen müssen, das durch y = 1 und y = 1/x begrenzt ist. In diesem Gebiet soll die Funktion f(Ĩ_ref) außerdem so gewählt werden, dass zusätzlich die Steigungsbedingung
erfüllt ist. Diese Bedingung sagt aus, dass die Steigung der Funktion f(Ĩ_ref) stets flacher als die Steigung der entsprechenden Funktion y = K_s·1/x sein soll, die durch den Punkt (Ĩ_ref,i, f(Ĩ_ref,i)) verlaufen würde. K_s ist hierbei der entsprechende Streckungsfaktor für die Funktion 1/x.
Die Steigungsbedingung soll anhand der Funktion y = 1/√x näher erläutert werden: Die Funktion y = 1/√x nimmt für x > 1 zunächst einmal nur Funktionswerte im schraffierten Gebiet an, so dass die erste Bedingung erfüllt ist. Die Steigungsbedingung im Punkt (x₁, y₁) besagt nunmehr, dass die Steigung von y = 1/√x in diesem Punkt flacher verlaufen soll als die Steigung der Funktion K_s·1/x, die durch diesen Punkt verlaufen würde. K_s nimmt hierbei den Wert x₁·y₁ oder allgemein ausgedrückt Ĩ_ref,i·(Ĩ_ref,i) an. Da die Ableitung der Funktion y = 1/x gleich y' = –1/x² ist, beträgt für den Punkt (x₁, y₁) die Grenzsteigung –y₁/x₁ oder allgemein ausgedrückt –f(Ĩ_ref,i)/Ĩ_ref,i. Die Ableitung der Funktion y = 1/√x beträgt darüber hinaus y' = –0,5·x^–3/2 und nimmt damit im Punkt (x₁, y₁) den Wert –0,5·y₁/x₁ an. Die resultierende Bedingung lautet somit –0,5·y₁/x₁ > –y₁/x₁ bzw. 1 > 0,5, so dass die Steigungsbedingung für die Funktion y = 1/√x erfüllt ist. Allgemein gilt demnach für den Funktionstyp y = 1/x^a, dass die Steigungsbedingung erfüllt ist, wenn der Parameter zwischen 0 und 1 liegt, also wenn 0 < a < 1 erfüllt ist.
Die Steigungsbedingung hat die Wirkung, dass der Funktionsanteil f(Ĩ_ref) gegenüber der Funktion 1/Ĩ_ref relativ gesehen für höhere Beträge von Ĩ_ref stärker gewichtet wird. Auf diese Weise wird die in 3 dargestellte Indikatorwirkung für große Beträge von HF bzw. für große Beträge von dem Integralanteil Ĩ_ref auch stärker gewichtet, was dann erfindungsgemäß eine größere Dynamik der Parameter HRV_i zur Folge hat.
Aus der Betragsbedingung folgt darüber hinaus, dass die HRV Parameter HRV_i immer größere Werte gegenüber dem Verhältnis LF/HF annehmen.
Beide Bedingungen zusammen, also die Betragsbedingung und die Steigungsbedingung, bewirken somit, dass für die Parameter HRV_i eine größere Dynamik mit größeren Betragswerten erzielt werden kann, als dies mit der herkömmlichen Berechnung aufgrund des LF/HF-Verhältnisses möglich ist. Damit ist es wiederum einem Patienten aufgrund der Parameter HRV_i mit Biofeedback leichter möglich, den eigenen RSA-Zustand zu erkennen und zu erreichen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Funktion f(Ĩ_ref) folgendermaßen definiert:
Für a → 1 nähert sich die resultierende Funktion Ĩ_max*f(Ĩ_ref) dann dem aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsverhältnis LF/HF an. Für a → 0 wird der Einfluss des Integralanteils Ĩ_ref dagegen gänzlich ausgeschaltet, so dass nur noch der Einfluss des Integralanteils Ĩ_max überwiegt.
Bevorzugte Werte für den Parameter a liegen bei 0,25, 0,5 oder 0,75.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Verteilungsfunktion F_h,i(f) über eine Fast-Fourier-Transformation der Abtastfolge f_h,i(kT_s) ermittelt. Die Fast-Fourier-Transformation liefert für diskrete Frequenzwerte die entsprechende Amplituden- bzw. Leistungskomponente der Abtastfolge f_h,i(kT_s), wobei die Auflösung der Frequenzwerte von der Anzahl n der Werte der Abtastfolge f_h,i(kT_s) abhängt und mit der Anzahl n linear ansteigt.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Verteilungsfunktion F_h,i(f) über eine autoregressive Spektralschätzung der Abtastfolge f_h,i(kT_s) zu ermitteln. Hierbei werden zunächst die sogenannten AR-Parameter nach der Methode der regressiven Ausgleichsrechnung bestimmt. Die Z-Transformation der AR-Parameter liefert dann eine kontinuierliche Spektralfunktion der Abtastfolge f_h,i(kT_s). Die Auflösung dieser Spektralfunktion hängt zum einen von der Ordnung der AR-Parameter und zum anderen wiederum von der Anzahl n der Werte der Abtastfolge f_h,i(kT_s) ab.
Erfindungsgemäß kann der Parameter HRV_i als Indikator für Abtastfolgen der Herzfrequenz f_h eines Patienten verwendet werden, der sich in der Nähe des RSA-Zustands befindet oder den RSA-Zustand erreicht hat. Mit diesem Indikator ist es dem Patienten bei einem HRV-Biofeedback leicht möglich, den RSA-Zustand durch gezielte Steuerung der eigenen Atmung zu erreichen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 den festgestellten Zusammenhang zwischen der normierten Kreuzkorrelation des LF-Anteils und des HF-Anteils bei einer Verschiebung 0 und dem Eintreten des RSA-Zustands,
2 den festgestellten Zusammenhang zwischen dem normierten Betrag des LF-Anteils und der Indikatorwirkung des Verhältnisses LF/HF im Hinblick auf den RSA-Zustand,
3 den festgestellten Zusammenhang zwischen dem normierten Betrag des HF-Anteils und der Indikatorwirkung des Verhältnisses LF/HF im Hinblick auf den RSA-Zustand,
4 den festgestellten Zusammenhang zwischen dem normierten Betrag des LF-Anteils und der Indikatorwirkung des LF-Anteils im Hinblick auf den RSA-Zustand,
5 ein X-Y-Koordinatensystem mit den Funktionen y = 1/x, y = 1/√x und y = 1,
6 durch Atmung verursachte Schwankungen der Herzfrequenz eines Patienten (RSA-Zustand),
7 durch verschiedene Regelprozesse verursachte Schwankungen der Herzfrequenz eines Patienten (kein RSA-Zustand),
8 Schwankungen in den gemessenen Beträgen der LF- und HF-Anteile eines Patienten,
9 das Ergebnis der bei der Auswertung eingesetzten Glättung der Messwerte, dargestellt anhand des Verhältnisses LF/HF,
10a) den Verlauf der Herzfrequenz eines Patienten während einer Biofeedbacksitzung,
10b) den daraus ermittelten Verlauf erfindungsgemäßer sowie aus dem Stand der Technik bekannter Parameter zur Bestimmung der HRV,
11 den Verlauf erfindungsgemäßer sowie aus dem Stand der Technik bekannter Parameter zur Bestimmung der HRV gemäß 10b), diesmal jedoch normiert auf den Wert 1,
12 das Einhalten der Betragsbedingung für die zur Auswertung herangezogene erfindungsgemäße Funktion
anhand der Werte a = 0,25, a = 0,5 und a = 0,75 sowie
13 das Einhalten der Steigungsbedingung für die zur Auswertung herangezogene erfindungsgemäße Funktion
anhand der Werte a = 0,25, a = 0,5 und a = 0,75.
Die 1-5 wurden bereits einleitend erläutert.
6 zeigt durch Atmung verursachte Schwankungen der Herzfrequenz eines Patienten (RSA-Zustand). Aufgrund der regelmäßigen und tiefen Atmung stellt sich ein Verlauf der Herzfrequenz ein, der annähernd sinusförmig ist. Die ansteigenden Flanken in 1 (Erhöhung der Herzfrequenz) entsprechen dem Einatmen, während die abfallenden Flanken in 1 (Verringerung der Herzfrequenz) dem Ausatmen entsprechen.
7 zeigt durch verschiedene Regelprozesse verursachte Schwankungen der Herzfrequenz eines Patienten (kein RSA-Zustand). In diesem Fall ist der Einfluss der Atmung auf die Herzfrequenz nicht mehr zu erkennen.
Die 8-11 beziehen sich auf die Auswertung von Messergebnissen eines Patienten, die während einer Biofeedbacksitzung gewonnen wurden.
8 zeigt Schwankungen in den gemessenen Beträgen der LF- und HF-Anteile des Patienten. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Schwankungen der LF- und HF-Anteile einem ähnlichen Verlauf folgen. Wie bereits beschrieben eignen sich LF/HF-Verhältnisse daher grundsätzlich gut für die Bestimmung der HRV, da sich Betragsschwankungen des LF-Anteils und des HF-Anteils ausgleichen können.
9 zeigt das Ergebnis der bei der Auswertung eingesetzten Glättung der Messwerte, dargestellt anhand des Verhältnisses LF/HF. Die Bestimmung eines HRV Parameters, beispielsweise gemäß dem aus dem Stand der Technik bekannten LF/HF Verhältnis, führt in der Praxis zu zum Teil stark oszillierenden Kurven in Abhängigkeit der Zeit. Insbesondere bei Biofeedbackübungen sind derartige Ergebnisse nur sehr schwierig zu interpretieren. Zur Verbesserung der Auswertung wird daher eine Glättung der Ergebnisse durchgeführt. Dabei werden nicht mehr die einzelnen Werte dargestellt, sondern ein Mittelwert der z.B. letzten zehn Werte. Da diese Art der Glättung keine Ergebnisse für die ersten neun Werte liefert, beginnen entsprechend geglättete Kurven erst mit dem 10. Wertepaar. In 9 ist eine derartige Glättung über die letzten 14 Werte beispielhaft an dem LF/HF Verhältnis dargestellt. Grundsätzlich kann diese Methode für jedes Ergebnis durchgeführt werden und wird im Folgenden auch stets angewandt.
10a) zeigt den Verlauf der Herzfrequenz eines Patienten während einer Biofeedbacksitzung. Dieser gemessene Verlauf diente als Grundlage für die folgenden Auswertungen. Erkennbar ist der Übergang von einer unregelmäßigen zu einer regelmäßigen Herzfrequenz in der zweiten Minute. Dieser Übergang kennzeichnet das Eintreten des RSA-Zustands.
10b) zeigt den daraus ermittelten Verlauf erfindungsgemäßer sowie aus dem Stand der Technik bekannter Parameter zur Bestimmung der HRV. Der aus dem Stand der Technik bekannte Parameter entspricht dem Verhältnis LF/HF. Die übrigen drei Kurven entsprechen dem HRV Parameter HRV_i = Ĩ_max,i*f(Ĩ_ref,i) mit der erfindungsgemäßen Funktion
jeweils mit a = 0,25, a = 0,5 und a = 0,75 sowie der Maßgabe, dass Ĩ_ref dem HF-Anteil und Ĩ_max dem LF-Anteil entspricht.
Es wird deutlich, dass alle drei erfindungsgemäßen Parameter einen größeren Funktionswert als das LF/HF Verhältnis liefern, wobei der Funktionswert tendenziell mit abnehmendem Parameter a zunimmt. Die Auswertung ergab außerdem eine höhere Dynamik der erfindungsgemäßen Parameter. So beträgt das Verhältnis von Maximal- zu Minimalwert bei dem LF/HF Verhältnis lediglich 7,99. Bei den erfindungsgemäßen Parametern mit den Werten a = 0,25, a = 0,5 und a = 0,75 ergeben sich entsprechende Werte von 64,28, 31,72 und 16,32. Die Dynamik nimmt damit tendenziell ebenfalls mit abnehmendem Parameter a zu.
11 zeigt den Verlauf erfindungsgemäßer sowie aus dem Stand der Technik bekannter Parameter zur Bestimmung der HRV gemäß 10b), diesmal jedoch normiert auf den Wert 1. Die Verläufe aller Parameter sind innerhalb der ersten Minute sowie innerhalb der dritten Minute qualitativ annähernd gleich. In der zweiten Minute sind jedoch deutliche Unterschiede im Kurvenverlauf erkennbar. Diese sind auf die unterschiedliche Gewichtung des HF-Einflusses zurückzuführen.
12 zeigt das Einhalten der Betragsbedingung für die zur Auswertung herangezogene erfindungsgemäße Funktion
anhand der Werte a = 0,25, a = 0,5 und a = 0,75. Die Betragsbedingung lautet
Wie 12 zeigt, ist der Term f(Ĩ_ref,i) sowohl stets kleiner als eins, als auch stets größer als der Term 1/Ĩ_ref,i. Dieses Ergebnis wird auch für andere erfindungsgemäße Werte des Parameters a, d.h. Werte zwischen 0 und 1, erzielt.
13 zeigt das Einhalten der Steigungsbedingung für die zur Auswertung herangezogene erfindungsgemäße Funktion
anhand der Werte a = 0,25, a = 0,5 und a = 0,75. Die Steigungsbedingung lautet
Wie 13 zeigt, ist der Term
sowohl stets kleiner als Null, als auch stets größer als der Term
Dieses Ergebnis wird auch für andere erfindungsgemäße Werte des Parameters a, d.h. Werte zwischen 0 und 1, erzielt.

Claims

Verfahren zum Auswerten mehrerer Abtastfolgen f_h,i(kT_s) mit i = 1, 2, 3, ..., m und k = 0, 1, 2, ..., n, wobei jede Abtastfolge f_h,i(kT_s) die Abtastfolge der Herzfrequenz f_h eines Patienten über den Zeitraum n·T_s darstellt und wobei für jede Abtastfolge f_h,i(kT_s) die folgenden Schritte durchgeführt werden: Ermittlung einer Verteilungsfunktion F_h,i(f) für jede Abtastfolge f_h,i(kT_s) als Funktion der Frequenz, Bestimmung eines ersten Integralanteils I_max,i der Verteilungsfunktion F_h,i(f) für einen ersten Frequenzbereich, wobei der erste Frequenzbereich ein Maximum der Verteilungsfunktion F_h,i(f) umfasst, Bestimmung eines zweiten Integralanteils I_ref,i der Verteilungsfunktion F_h,i(f) für einen zweiten Frequenzbereich, der zusätzliche oder andere Frequenzbereiche als den ersten Frequenzbereich umfasst, Normierung der Integralanteile I_max,i und I_ref,i mit einem Normierungsfaktor K_ref mit Ĩmax,i = Kref*Imax,i und Ĩref,i = Kref*Iref,i derart, dass für den zweiten Integralanteil die Bedingung Ĩ_ref,i ≥ 1 erfüllt ist, Bestimmung eines Parameters HRV_i für jede Abtastfolge f_h,i(kT_s) mit den jeweiligen Integralanteilen Ĩ_max,i und Ĩ_ref,i mit einer Funktion f(Ĩ_ref) gemäß HRVi = Ĩmax,i*f(Ĩref,i),wobei die Funktion f(Ĩ_ref) für jeden Integralanteil Ĩ_ref,i die Bedingungen
und
erfüllt, und wobei die Funktion f(Ĩ_ref), der erste und zweite Frequenzbereich sowie der Normierungsfaktor K_ref für alle m ausgewerteten Abtastfolgen f_h,i(kT_s) gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Funktion f(Ĩ_ref) folgendermaßen definiert ist:
Verfahren nach Anspruch 2, wobei a = 0,75 ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei a = 0,5 ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei a = 0,25 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Verteilungsfunktion F_h,i(f) über eine Fast-Fourier-Transformation der Abtastfolge f_h,i(kT_s) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Verteilungsfunktion F_h,i(f) über eine autoregressive Spektralschätzung der Abtastfolge f_h,i(kT_s) ermittelt wird.
Verwendung des Parameters HRV_i gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7 als Indikator für Abtastfolgen der Herzfrequenz f_h eines Patienten, der sich in der Nähe des RSA-Zustands befindet oder den RSA-Zustand erreicht hat.