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Dokumentenidentifikation DE69534030T2 13.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000691620
Titel Verfahren zur Komprimierung physiologischer Daten, insbesondere der Herzaktivität, insbesondere für Holteraufzeichnung von Elektrokardiogrammen oder Electrogrammen
Anmelder Ela Medical S.A., Montrouge, FR
Erfinder Faisandier, Yves, F-75014 Paris, FR
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Bardehle, Pagenberg, Dost, Altenburg, Geissler, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69534030
Vertragsstaaten BE, CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI, SE
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 30.06.1995
EP-Aktenzeichen 954015848
EP-Offenlegungsdatum 10.01.1996
EP date of grant 02.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse G06F 19/00(2006.01)A, F, I, 20060131, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompression physiologischer Daten.

Es kann sich insbesondere um Daten handeln, die eine Herzaktivität betreffen, wobei eine derartige Kompression insbesondere an mit „Holter" bezeichnete Aufzeichnungen angepasst ist, d.h. an Aufzeichnungen, die kontinuierlich und über eine lange Dauer vollzogen werden, von Signalen, die mittels implantierter Elektroden („Elektrogrammen") oder externer Elektroden („Elektrokardiogramm") empfangen werden.

Dieser Typ von Aufzeichnung kann gleichfalls andere physiologische Daten betreffen, wie etwa Atemrhythmus, arterielle Spannung, etc. und es wird verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung direkt auf die Kompression derartiger anderer Daten anwendbar ist. Auch, obwohl im Folgenden die Beschreibung sich hauptsächlich auf die Kompression von Holter-Aufzeichnungen von Elektrokardiogrammen (EKG) beziehen wird, was die häufigste Anwendung darstellt, ist dieser Aspekt in keiner Weise beschränkend.

Die Erfindung ist tatsächlich vollkommen auf die Kompression von Daten anwendbar, welche durch implantierte Apparate produziert werden, wie etwa (im Fall von Daten der Herzaktivität) implantierten Stimulatoren, Cardiovertern oder Defibrillatoren. Ferner kann es sich genauso gut um die Kompression von Daten handeln, bei ihrer Erfassung, im Hinblick auf ihre Aufzeichnungen in einem der implantierten Apparate, wie auch um die verzögerte Übertragung von bereits in dem implantierten Apparat aufgezeichneten Informationen nach außen. In letzterem Fall kann es in der Tat wünschenswert sein, die zu übertragenden Daten zu komprimieren, um die Zeit zur Übertragung der Information zum externen Programmiergerät mit Rücksicht auf den schwachen Durchsatz des Informationsflusses zu beschränken, welcher durch den relativ engen Durchlassbereich der in diesem Kontext benutzbaren Übertragungssysteme beschränkt ist.

Diese Holter-Aufzeichnungen, ehemals auf Magnetband vollzogen mit Rücksicht auf das erhebliche Volumen der zu speichernden Information, werden heute zunehmend in einem statischen Halbleiterspeicher getätigt, der „Holter"-Speicher genannt wird. Die Benutzung dieser Technologie ist indessen durch die mindere Kapazität der statischen Speicher im Verhältnis zu Magnetbändern beschränkt, was im Augenblick der Erfassung von Daten und vor ihrer Speicherung verlangt, einen Kompressionsalgorithmus zu verwenden, um den in dem Holter-Speicher verfügbaren Platz zu sparen.

Wenn man so während 24 Stunden die Signale aufzeichnen will, die auf zwei unterschiedlichen EKG-Kanälen empfangen werden, und das EKG-Signal jedes Kanals bei 100 Hz mit einer Auflösung von 10 &mgr;V und einer Dynamik von 10 mV abgetastet wird, ist der Fluss von Informatioren auf jedem Kanal 1000 Bits/Sekunde (100 Wörter von 10 Bits jeweils). Wenn man z.B. über statische Speicher verfügt, die eine Holter-Speicherkapazität von 10 Mb erlauben, auf welcher ein Mb für die Dateien der Analyseresultate, der Histogramme, etc. reserviert ist, bleiben 4,5 Mo, die verfügbar sind zur Speicherung von 24 Stunden von Signalen jedes der Kanäle. Diese Größenbeschränkung legt eine Beschränkung des zu speichernden Datenflusses auf 52,08 Oktette/Sekunde, d.h. 422,4 Bits/Sekunde auf; es ist daher notwendig, die Daten in einem Verhältnis von mindestens 1000/422,4 = 2,36 zu komprimieren.

Für ein an Informationen reicheres Signal kann der Prozessor das EKG bei einer höheren Frequenz abtasten, von 200 Hz zum Beispiel. Alles andere gleich bleibend, muss der Kompressionsgrad daher auf 4,72 steigen.

Viele Verfahren wurden vorgeschlagen zum Komprimieren dieser Daten. Das besondere durch das ambulant aufgezeichnete EKG gestellte Problem ist seine Nicht-Regularität und das Vorhandensein vieler Artefakte. Tatsächlich wird das EKG-Signal am häufigsten aus dem Signal mit Ursprung im Herzen gebildet, das fast periodisch ist (PQRST-Komplex), begleitet von Signalen, welche durch die Muskeln erzeugt werden, durch mechanische Störungen der Schnittstelle Elektrode-Haut oder durch elektrische Störungen oder noch durch elektromagnetische, welche durch Kabel empfangen werden, welche die Elektroden mit dem Aufzeichnungsgerät verbinden.

Die klassischen Algorithmen zeigen sich relativ wenig leistungsfähig in dem bestimmten Fall von EKG-Signalen. Einerseits, da es sich um Signale handelt, die immer in relativ erheblicher Weise gestört sind, können die klassischen Algorithmen diese Störungen nur ziemlich schlecht eliminieren.

Andererseits ist es wichtig, dass die Kompression/Dekompression nicht ihrerseits für das bloße Auge zu sichtbare Artefakte produziert, wie dies z.B. der Fall bei Kompressionen ist, die Approximationen durch Parabelbögen oder gerade Segmente nutzen, die auf dem Bildschirm „Bruchstellen" einführen, die für das Auge sehr sichtbar sind und imstande sind, die Interpretation der EKG-Kurve durch den Arzt zu stören, indem dieser Kurve ein Verlauf verliehen wird, der von denjenigen entfernt ist, die direkt erhalten wurden, welche er zu beobachten und zu interpretieren gewohnt ist.

Schließlich ist es, immer noch für ein EKG-Signal, wichtig, die Variabilität des QRS-Komplexes beobachten zu können, was sehr bedeutsam für die Diagnose sein kann, und daher eine bestimmte Anzahl von Mikro-Variationen bewahren zu können.

Diese Beschränkung macht die prädiktiven Kompressionsalgorithmen in der Praxis weniger wirksam, die auf der Wiederholung eines mittleren Signals (dem PQRST-Komplex) basieren, da die Vielzahl unterschiedlicher Formen von PQRST ihre Arbeit schwierig macht und ihre Leistung fällt schnell ab. Der Kompressionsalgorithmus muss nicht allein im Idealfall funktionieren, d.h. für ein regelmäßiges EKG und ohne Störungen, sondern muss auch mit sehr unregelmäßigen EKG verträglich sein (häufige anomale Komplexe, in sehr variabler Form, z.B. mit stabilen Perioden), die häufig Artefakte enthalten.

Eine weitere typische Schwierigkeit von Holter-Aufzeichnungen ist die Tatsache, dass die Apparate mit Batterien funktionieren können müssen, mit einer Selbständigkeit, die 24 Stunden erreichen können muss, mitunter sogar 48 Stunden. Nun erfordert die Verwendung komplexer Algorithmen einen hinreichend leistungsfähigen Prozessor, der in quasi permanenter Weise funktioniert, was daher einen starken Energieverbrauch und eine Beschränkung der Aufzeichnungsdauer impliziert, wenn man nicht in exzessiver Weise das Gewicht und den Platzbedarf des Apparates erhöht.

Eines der Ziele der Erfindung ist daher, ein neues Verfahren zur Kompression physiologischer Daten vorzuschlagen, das insbesondere gut an die Beschränkungen von Holter-Aufzeichnungen angepasst ist, unter welchen:

  • – die Aufzeichnung eines in der Zeit sehr unregelmäßigen Signals,
  • – das Vorhandensein zahlreicher Störungen und Artefakte, die nicht zu einer Verschlechterung des Nutzsignals aufgrund der Kompression führen dürfen,
  • – die beschränkte Kapazität der aktuellen statischen Speicher, daher die Notwendigkeit, die Daten mit einem erhöhten Kompressionsgrad zu komprimieren, ohne dabei die gespeicherte Information deutlich zu verschlechtern,
  • – die beschränkte energetische Autonomie der Apparate, welche die Wahl eines schnellen Algorithmus auferlegt, um den Benutzungsgrad des Prozessors, daher seinen Gesamtverbrauch, maximal zu reduzieren.

Um diese Ziele zu erreichen, schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, das durch die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte gekennzeichnet ist: (a) Erfassung von Daten durch Empfang eines elektrischen Signals und Abtasten dieses Signals bei gegebener Frequenz; (c) Bestimmung der ersten Ableitung des abgetasteten Signals; (e) Bestimmung der zweiten Ableitung des gleichen abgetasteten Signals; (f) prädiktive Analyse des abgetasteten Signals, abhängig von einer Vielzahl von zukünftigen Werten erster und zweiter Ableitungen, und Auswahl für den aktuellen Abtastwert eines Kodiermodus unter einer Vielzahl von dynamisch austauschbaren vordefinierten Kodiermodi, um das Gesamtvolumen der für die Kodierung der genannten Vielzahl von zukünftigen Werten erzeugten Codes zu optimieren; und (g) Kompression der Daten durch Verwendung des in Schritt (f) ausgewählten Kodiermodus.

Vorteilhafterweise umfasst Schritt (g): (g1) im Fall des Moduswechsels, die Erzeugung eines Moduswechsel-Codes, und (g2) die Erzeugung eines Datencodes, der repräsentativ für den laufenden Abtastwert ist, ausgehend von dem entsprechenden laufenden Wert der ersten Ableitung oder der zweiten Ableitung. Allgemein ist nach Schritt (g) ein Schritt (a) der sequentiellen Speicherung von Codes vorgesehen, die in den Schritten (g1) und (g2) erzeugt wurden.

Ferner, gemäß einer bestimmten Anzahl von bevorzugten Ausführungsformen, die kennzeichnend für die Erfindung sind:

  • – ist zwischen Schritt (a) und Schritt (c) ein Schritt (b) der Elimination von Interferenzen mit der Netzfrequenz durch Vorbehandlung der abgetasteten Daten vorgesehen;
  • – wird in Schritt (c) die erste Ableitung durch Bestimmung des Inkrements zwischen dem laufenden Abtastwert des Signals, der in Schritt (a) erfasst wurde, und einem wiederberechneten Wert bestimmt, welcher dem vorhergehenden Abtastwert des Signals entspricht, wie in Schritt (g) komprimiert, dann dekomprimiert durch Vollzug eines Annex-Schritts, ausgeführt in begleitender Weise, der inversen Kodierung;
  • – ist ferner zwischen Schritt (c) und Schritt (e) ein Schritt (d) der eventuellen Reduktion um einen gegebenen Faktor der Auflösung des abgetasteten Signals vorgesehen, wobei dieser Faktor bestimmt wird durch Vergleich zwischen einem laufenden mittleren Durchsatz des Flusses der in Schritt (h) gespeicherten Daten und einem nominalen Soll-Durchsatz, indem der Reduktionsfaktor erhöht wird, wenn der mittlere Durchsatz größer als der nominale Durchsatz ist, und umgekehrt.
  • – die genannte Vielzahl von Kodiermodi kann insbesondere umfassen:
  • • einen ersten Kodiermodus, in welchem in einem Wort von variabler Länge der Wert der zweiten Ableitung des abgetasteten Signals gespeichert wird, indem für jeden möglichen Wert eine unterschiedliche Wortlänge zugewiesen wird, wobei dieser Modus insbesondere ausgewählt werden kann, wenn der absolute Wert der zweiten Ableitung des abgetasteten Signals kleiner als eine erste vorherbestimmte Grenze ist;
  • • einen zweiten Kodiermodus, in welchem in einem Wort fester Länge der Wert der zweiten Ableitung des abgetasteten Signals gespeichert wird, wobei dieser Modus insbesondere ausgewählt werden kann, wenn der absolute Wert der zweiten Ableitung des abgetasteten Signals größer als eine erste vorherbestimmte Grenze ist und keiner als eine zweite vorherbestimmte Grenze;
  • • einen dritten Kodiermodus, in welchem in einem Wort fester Länge der Wert der ersten Ableitung des abgetasteten Signals oder aber das Ergebnis einer logarithmischen Transkodierung dieses Werts gespeichert wird, wobei dieser Modus insbesondere ausgewählt werden kann, wenn der absolute Wert der zweiten Ableitung des abgetasteten Signals größer als eine dritte vorherbestimmte Grenze ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden ferner, in regelmäßigen Intervallen, in einer Zustandstabelle, der laufende Wert der ersten Ableitung, der laufende ausgewählte Modus und die Position in der Aufzeichnung des laufenden gespeicherten Datums aufgezeichnet.

Die Erfindung deckt gleichfalls ein Verfahren zur Dekompression von gemäß einem wie oben dargestellten Verfahren komprimierten und gespeicherten Daten ab, gekennzeichnet durch die aufeinander folgenden Schritte des Lesens und der Individualisierung der gespeicherten Daten, Bestimmung des Kodiermodus des laufenden gelesenen Datums und Dekompression des Datums durch inverse Kodierung.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei Lektüre der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ersichtlich, welche unter Bezugnahme auf die einzige anliegende Figur erfolgt, die das allgemeine Organigramm des Verfahrens zur Kompression gemäß der Erfindung wiedergibt.

Die Figur gibt in schematischer Weise die Aufreihung der verschiedenen Schritte des Verfahrens zur Kompression gemäß der Erfindung wieder.

Im Wesentlichen wird, im Verfahren der Erfindung, über eine Vielzahl von unterschiedlichen Kompressionsmodi verfügt, und man wählt sie automatisch und in adaptiver Weise abhängig von dem Informationsgehalt des empfangenen Signals aus. Das Verfahren kann gleichfalls, in vorteilhafter Weise, eine Regelung der Auflösung umfassen, hier auch automatisch und adaptiv, was erlaubt, den Durchsatz von Daten am Eingang des Speichers abhängig von den Speicherkapazitäten des Systems zu modifizieren.

Erfassung und Vorbehandlung der EKG-Daten

In Schritt 1 wird zunächst mit der Erfassung von Daten begonnen, durch Digitalisierung des Spannungsniveaus und Abtastung. Die Abtastfrequenz kann ausgewählt werden abhängig von der gewünschten Qualität des Signals und von Kapazitäten des Kompressionsalgorithmus, aber gleichfalls abhängig von der Leichtigkeit, eine Filterung von Netzinterferenzen zu verwirklichen.

Diese Filterung wird in Schritt 2 verwirklicht. Wenn angenommen wird, dass das EKG-Signal durch eine Sinuskurve bei 50 Hz (60 Hz in den USA) gestört wird, ist es möglich, eine Filterung zu verwirklichen, sehr sparsam in der Berechnungszeit dieser Störungen, indem über vier Punkte gemittelt wird (gleitender Durchschnitt), die alle um 90° verschoben sind, d.h. um 5 ms voneinander (Abtastfrequenz = 4 × Netzfrequenz): dieser Mittelwert gibt immer einen Residualwert, der nicht mehr als 50 Hz enthält. Es ist gleichfalls möglich, die 50 Hz zu filtern, indem zwei Punkte summiert werden, die um einen Punkt beabstandet sind: Da ihr Phasenabstand bei dieser Frequenz 180° beträgt, annullieren sich die beiden Werte. Der Durchlassbereich des Filters kann endlich verbessert werden, indem optimierte Koeffizienten angegeben werden, an den Punkten, welche sie umgeben. Man erhält so ein störungsfreies Signal, befreit vom Netzsignal, das eine für die Aufzeichnung des EKG hinreichende Qualität bereitstellt.

Ferner kann vorgesehen werden, außer der Netzfilterung, eine Tiefpassfilterung mit einer Grenzfrequenz der Größenordnung von 25 bis 30 Hz zu verwirklichen, eventuell umschaltbar auf eine höhere Frequenz, 60 Hz zum Beispiel, wenn gewünscht wird, die Mikrovariationen zu analysieren, jedoch dann gegebenenfalls ein erhöhtes Störungsniveau akzeptierend; man kann sogar, im Fall eines Signals, das praktisch von Störungen frei ist, vorsehen, jegliche Filterung durch eine geeignete Umschaltung zu unterdrücken.

Danach wählt, in Schritt 3, abhängig vom möglichen Durchsatz der Aufzeichnung (daher der verfügbaren Größe des Speichers), das Verfahren eine bestimmte Betriebsart:

  • – 420 Bits/Sekunde: alle 10 Millisekunden wird ein Punkt unter-abgetastet, wobei dieser Punkt der Durchschnitt von vier bei 200 Hz abgetasteten Punkten ist. Wenn das Ausgangssignal nur gering gestört ist und ein Überhang an Speicher verbleibt, wird der Durchschnitt von zwei um einen Punkt beabstandeten Punkten genommen (zu welchem man eventuell die Summe des Zwischenpunktes plus dem vorhergehenden Punkt multipliziert mit einem Koeffizienten von ungefähr –0,1 hinzufügt, um den Durchlassbereich anzuheben).
  • – 900 Bits/Sekunde: wenn das Signal geräuscharm ist, wird bei 200 Punkten pro Sekunde abgetastet. Wenn das Signal leicht verrauscht ist oder kein Überhang an Speicher existiert, wird das Geräusch durch Filtrierung auf zwei Punkten, wie zuvor beschrieben, reduziert.

Man erhält so am Ausgang ein Datensignal, mit D bezeichnet, das repräsentativ für das EKG-Signal nach unterschiedlichen vorhergehenden Behandlungen ist, die angegeben wurden.

Schritt 4, der folgt, besteht in der Berechnung der ersten Ableitung, mit D' bezeichnet, dieses Datums D. Unter „erste Ableitung" wird tatsächlich der Wert des Anwachsens des Signals zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten verstanden. Tatsächlich impliziert, da das EKG-Signal keinen kontinuierlichen Bestandteil enthält, die Tatsache, dass nur die erste Ableitung bewahrt wird, überhaupt keinen Informationsverlust. Andererseits variiert, da das Abtastintervall konstant ist, das Anwachsen des Werts des Signals immer in gleicher Weise wie der Grad des Anwachsens dieses gleichen Werts, derart, dass es ausreicht, aus Bequemlichkeit, einfach die inkrementale Variation des Signals eines Abtastpunkts im Folgenden zu betrachten.

In gleicher Weise wird im Folgenden mit „zweite Ableitung", mit D'' bezeichnet, das Anwachsen der ersten Ableitung (im oben verstandenen Sinn) eines Abtastpunkts bezeichnet werden.

In Schritt 4 wird die Berechnung dieser ersten Ableitung D' durch Bestimmung der Differenz zwischen dem Wert des Signals im laufenden Punkt und dem entsprechenden Wert des gleichen Signals im vorhergehenden Punkt vollzogen. Das zu betrachtende Signal des laufenden Punkts ist, in jedem Fall, dasjenige, das nach der Vorbehandlung der Schritte 1 bis 3 geliefert wird, welche weiter oben beschrieben wurden. Was den vorhergehenden Punkt betrifft, wird aufgrund der Tatsache, dass das System in der späteren Kompression in bestimmten Fällen einen leichten Fehler in den Wert der Ableitung nach Kompression einführen kann, bevorzugt, in Schritt 3 die Differenz zwischen dem Datum des laufenden Punktes und dem Datum des wiederhergestellten vorhergehenden Punktes zu bestimmen, d.h., welcher einer Kompression unterworfen war (Aneinanderreihung der unterschiedlichen mit 5 in dem Organigramm der 1 bezeichneten Schritte), danach einer inversen Kompression oder Dekompression (Schritt 6 in 1). Der eventuelle Fehler wird daher nicht kumuliert, da er durch die folgende Abtastung kompensiert wird. In Abwandlung ist es, anstatt mit einer Dekompression fortzufahren, möglich, durch Berechnung das Datum des wiederhergestellten vorhergehenden Punktes zu erhalten, bei Kenntnis des ausgewählten Kompressionsmodus und des Wertes der Ableitung des vorhergehenden Punktes.

Sobald dieser Wert der Ableitung D' bestimmt ist, ist vorteilhafterweise, bevor mit der eigentlichen Kompression fortgefahren wird, ein Schritt 7 der adaptiven Anpassung der Auflösung des erfassten Signals vorgesehen.

Tatsächlich kann oft toleriert werden, dass ein EKG-Signal mit einer bestimmten Verzerrung reproduziert wird, was selbstverständlich erlaubt, den Wirkungsgrad des Kompressionsalgorithmus zu verbessern. Aber das Hauptrisiko dieser Verzerrung ist, sichtbare Mängel zu erzeugen, wenn der Arzt das wiederhergestellte Signal betrachtet. Es ist insbesondere unabdingbar, um jeglichen Fehler der Lektüre oder der Diagnose zu vermeiden, zu vermeiden, dass das Verfahren kleine Wellen oder Wellenbewegungen von geringer Amplitude nicht versteckt, wie z.B. die P-Wellen der Vorhöfe. deren Bedeutung für bestimmte Pathologien sehr groß ist.

Wenn umgekehrt viele Informationen bewahrt werden, wird es nicht möglich sein, die Daten hinreichend zu komprimieren, und dies umso mehr, je mehr das Signal gestört ist. Da es absolut notwendig ist, den Durchsatz zum Massenspeicher zu begrenzen, muss das Verfahren ein Mittel zur Reduktion des Durchsatzes während der Abschnitte vorsehen, die zu reich an Informationen sind, wobei aber die Qualität der Aufzeichnung so zurückhaltend wie möglich reduziert wird.

Ein Kompromiss muss daher in dieser Hinsicht von Fall zu Fall gefunden werden. Um zu diesem Kompromiss zu kommen, schlägt die Erfindung vor, in adaptiver Weise auf die Auflösung des erfassten Signals einzuwirken, einer in Schritt 7 verwirklichten Operation.

Die Erfahrung hat tatsächlich gezeigt, dass es für EKG-Signale vorzuziehen ist, die Auflösung variieren zu lassen, eher als z.B. eine Tiefpassfilterung durchzuführen, in dem Maß, in welchem eine schwache Auflösung während gestörter Abschnitte sich in der Praxis als wenig störend erweist.

Die Wahl der Auflösung wird tatsächlich diktiert durch eine Analyse der Belegung des Massenspeichers, wobei die Analyse durch ein Modul zur Verwaltung der Kapazität (Schritt 8) bewirkt wird. Das Kriterium besteht darin, zu bestimmen, ob, mit Rücksicht auf das bereits seit dem Beginn der Erfassung gespeicherte Volumen an Informationen, man sich im Voraus oder im Rückstand im Verhältnis zu einem mittleren Soll-Durchsatz befindet.

Dieser Soll-Wert wird z.B. berechnet durch Dividieren des Volumens der Informationen (Größe der Datei), die in dem Massenspeicher seit Beginn der Erfassung abgelegt sind, durch die Anzahl der Sekunden, die seit diesem Moment vergangen sind. Dieser reale mittlere Durchsatz wird mit einem mittleren Soll-Durchsatz verglichen, der in diesem Beispiel die Gesamtgröße des Speichers dividiert durch die Anzahl von Sekunden einer vollständigen Aufzeichnung ist, d.h. die Anzahl von Sekunden in 24 oder 48 Stunden.

Wenn der reale mittlere Durchsatz größer als der Soll-Durchsatz ist, was bedeutet, dass man sich „im Voraus" befindet und dass, in diesem Rhythmus, der Speicher vor dem Ende von 24 oder 48 Stunden vollkommen gefüllt sein wird, wird dann die Auflösung um die Hälfte vermindert, auf ein Drittel, auf ein Viertel, etc. der Grundauflösung (Division durch R = 2, 3, 4, etc.). Der Faktor R der Reduktion der Auflösung wird umso höher gewählt, je erheblicher der Abstand zwischen dem realen mittleren Durchsatz und dem Soll-Durchsatz ist, um schneller zu einem realen Durchsatz zurückzukommen, der nahe dem Soll-Durchsatz ist.

Umgekehrt, wenn man „im Rückstand" auf den Soll-Wert ist, was bedeutet, dass, unter den geltenden Bedingungen, der Speicher am Ende von 24 oder 48 Stunden lediglich teilweise benutzt sein wird, wird der Wert von R vermindert, um zu gehaltvolleren Daten zurückzukehren und den Speicher vollständiger zu belegen.

Eine Reduktion der Auflösung hat eine unmittelbare Reduktion des komprimierten Informationsflusses zur Wirkung, aufgrund des Verschwindens von ganz kleinen Wellen und der Reduktion der Dynamik von Ableitungswerten (wobei das Verfahren umso effizienter komprimiert, je mehr diese Werte klein sind, wie im Folgenden gesehen werden wird). Das Risiko, in diesem Fall die kleinen Wellen zu verlieren, ist daher ohne Bedeutung, da diese am häufigsten in den vorhandenen Artefakten untergehen (wobei ein reiches Signal immer Artefakte beinhaltet).

Der beste Wert der Auflösung (R = 1) entspricht z.B. 10 &mgr;V und kann benutzt werden, wenn man die bestmöglichen Umstände vorfindet. Für gestörtere Signale kann dieser Wert in Schritten von 10 &mgr;V bis 40 &mgr;V (R = 4) erhöht werden, welcher Wert immer noch kompatibel mit typischen Störniveaus ist, der Größenordnung von 5 bis 10 &mgr;V in der Mehrzahl von in der Praxis angetroffenen Situationen. Darüber hinaus ist, obwohl die Auflösung reduziert worden ist, diese Zahl von 40 &mgr;V mit der typischen Auflösung von klassischen Apparaten zu vergleichen, die eine feste Auflösung der Ordnung von 50 &mgr;V ist. Die Erfindung verleiht daher, selbst im „verschlechterten Modus", d.h. mit dem schwächsten Auflösungsgrad, eine Verbesserung in dieser Hinsicht im Verhältnis zum Stand der Technik.

Es wird bemerkt werden, dass Schritt 7 der adaptiven Reduktion der Auflösung vorteilhafterweise nach Schritt 4 der Berechnung der Ableitung platziert wird. So produziert eine Änderung der Auflösung keine Diskontinuität im Signal, wie im umgekehrten Fall eine produziert worden wäre, da das Datum nicht gleich null gewesen wäre. Man vermeidet so, die Fehler zu kumulieren, welche durch Änderungen der Auflösung produziert werden.

Der folgende Schritt, der Schritt 9 ist, ist ein Schritt zur Berechnung der zweiten Ableitung (Berechnung der Differenz zwischen der ersten Ableitung des laufenden Punktes und der ersten Ableitung des vorhergehenden Punktes), wobei dieses Datum notwendig für bestimmte Kompressionsmodi ist.

Das Verfahren fährt dann mit der eigentlichen Kompression fort (Schritte 10 bis 13).

Kompression vorbehandelter Daten

In charakteristischer Weise wählt das System unter mehreren Kompressionsmodi aus (z.B. drei Modi 11, 12 und 13), abhängig von dem Wert der ersten Ableitung D' und der zweiten Ableitung D'', welche jeden betrachteten Punkt umgeben.

Dieses allgemeine Prinzip erlaubt, auf einem bis wenigen Bits pro Punkt die Abschnitte – die häufigsten und längsten einer EKG-Kurve – aufzuzeichnen, die einer hinreichend stabilen zweiten Ableitung entsprechen (fast flaches Segment oder hinreichend regelmäßige Neigung), und auf einer größeren Anzahl von Bits (z.B. 7 Bits) die Abschnitte mit starker Steigung oder starker Variabilität.

Das System kann jederzeit von einem Kompressionsmodus in einen anderen umschalten, indem ein Code zur Änderung des Modus gesendet wird. Der Kompressionsalgorithmus muss hinreichend prädiktiv sein, um die Anzahl von Änderungen des Modus pro Sekunde zu optimieren, wobei diese Codes tatsächlich den Informationen hinzugefügt werden, was den globalen Kompressionsgrad reduziert. Mit anderen Worten wird, in Kenntnis von z.B. drei oder vier Werten der ersten und zweiten Ableitung im Voraus, der globale Kompressionsgrad mit oder ohne Änderung des Modus berechnet, und es wird die Entscheidung getroffen, einen anderen Modus abhängig von dieser Berechnung auszuwählen oder nicht.

In dem dargestellten Beispiel wird ein Modus unter drei Modi 11, 12, 13 ausgewählt, jedoch ist diese Wahl nicht beschränkend und es kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, ein vereinfachtes System mit zwei Modi vorgestellt werden oder ein System mit mehr als drei Modi. Diese Varianten werden weiter unten dargestellt werden.

In der dargestellten Ausführungsfonn sind die drei Kodierungstypen die folgenden:

  • – Modus Nr. 1: Kodierung der zweiten Ableitung mit einem Wort variabler Länge; dieser erste Modus, entsprechend schwachen Werten der Ableitung, ist gut an langsame Wellen angepasst, die einen großen Teil des EKG-Signals bilden.
  • – Modus Nr. 2: Kodierung der zweiten Ableitung auf einem Wort fester Länge; dieser zweite Modus ist gut an mittlere Werte der ersten Ableitung angepasst;
  • – Modus Nr. 3: direkte Kodierung der ersten Ableitung, auf einem Wort fester Länge; dieser dritte Modus ist gut an schnelle Wellen oder an abrupte Variationen des EKG-Signals angepasst (z.B. heftige P-Wellen).

Kodiermodus Nr. 1

Die Kodierung gemäß Modus Nr. 1 (Schritt 11) wird z.B. ausgewählt, solange der Wert der zweiten Ableitung zwischen +2 und –2 Einheiten liegt (d.h. ±20 mV, wenn die Einheit 10 mV ist).

Das Programm entscheidet dann, den Wert der zweiten Ableitung zu speichern, indem ein Wort variabler Länge jedem möglichen Wert zugewiesen wird (Prinzip der Huffmann-Kodierung). Da, statistisch, der Wert 0 der häufigste ist, wird ein Wort von 1 Bit (z.B. der Wert '0') diesem Wert zugewiesen; den Werten +1 und, weniger, –1, die danach hinreichend häufig auftreten, wird der Wert '10' für +1 und der Wert '110' für –1 zugewiesen; schließlich werden für +2 und –2 jeweils die Werte ' 1110' und ' 11110' zugewiesen.

Mit anderen Worten ist ein festes „Wörterbuch" von zweiten Ableitungen vorhanden, das benutzt wird, solange der Wert der zweiten Ableitung zwischen –2 und +2 liegt; sobald diese Grenzen überschritten werden, ist es notwendig, den Kodiermodus zu ändern, wobei diese Änderung des Modus z.B. durch einen Code '11111' verwirklicht wird.

Man erhält so die folgende Kodiertabelle (für welche, selbstverständlich, die Wahl der Bits 0 oder 1 umgekehrt werden kann und die Zuweisung des Vorzeichens + oder – beliebig ist):

Kodiermodus Nr. 2

Der Modus Nr. 2, verwirklicht in Schritt 12, wird benutzt, sobald der Wert der zweiten Ableitung die Grenzen von ±2 überschreitet, wobei er innerhalb der Grenzen von ±7 bleibt.

Der Wert der zweiten Ableitung wird dann in Form eines festen Worts von 4 Bits gespeichert.

Ein spezifischer Code, z.B. der Code –8 ('1000' im Binärsystem) erlaubt, diesen Modus zu verlassen, wobei der Code, dem gefolgt wird, ein 0-Bit ist, um in Modus Nr. 1 zurückzukehren (wenn die zweite Ableitung sich bei schwachen Werten stabilisiert), oder ein Bit von 1 ist, um zum Modus Nr. 3 überzugehen (wenn die zweite Ableitung die Grenzen von ±7 überschreitet).

Es wird die folgende Kodiertabelle erhalten:



|D''| > 7 ⇨ Befehl zum Übergang in Modus Nr. 3: '1000' + '1'

|D''| ≤ 2 ⇨ Befehl zur Rückkehr in Modus Nr. 1: '1000' + '0'

Es wird bemerkt werden, dass die Kodierung, welche durch den Modus Nr. 2 erlaubt wird, sich mit derjenigen überschneidet, welche für den Modus Nr. 1 erlaubt wird (Redundanz für die Werte 0, ±1 und ±2), dies um unablässiges Umschalten des Modus zu vermeiden, was dem Gesamtwirkungsgrad des Kompressionsalgorithmus schaden würde.

Die Entscheidung zum Moduswechsel oder zur Beibehaltung desselben Modus wird in Schritt 10 getroffen, weiter oben beschrieben, welcher, wie dargelegt, ein Schritt der prädiktiven Evaluation des globalen Wirkungsgrades ist, was erlaubt, die Anzahl von Wechseln von Modi pro Sekunde zu optimieren.

Kodiermodus Nr. 3

Der Modus Nr. 3 wird in Schritt 13 verwirklicht.

Für erhöhte Werte der zweiten Ableitung (jenseits von ±7), wird nicht mehr die zweite Ableitung sondern direkt die erste Ableitung kodiert.

Die Werte der ersten Ableitung werden auf 7 Bits entweder als solche (was einer Dynamik von ±63 entspricht) oder nach Transposition über eine logarithmische Korrespondenztabelle, die im Speicher aufbewahrt wird, gespeichert, was in an sich bekannter Weise erlaubt, einer Dynamik am Ausgang von ±63 eine größere Dynamik am Eingang entsprechen zu lassen, z.B. auf +200 festgelegt. Der durch eine derartige Transposition eingeführte Fehler ist null für die kleinen Werte (wobei die Transposition z.B. ohne Änderung für die Werte ±12 vollzogen wird), erhöht sich dann schrittweise mit den Werten selbst, während er immer kleiner als 10% bleibt; jedenfalls, da die erste Ableitung kodiert wird, kumuliert dieser Fehler sich nicht von einem Punkt zum nächsten und erzeugt daher keine wahrnehmbare Verformung der EKG-Kurve.

Es wird die folgende Kodiertabelle erhalten:

Der Code –64 wurde reserviert, um einem Befehl zur Rückkehr in den Modus Nr. 2 zu entsprechen, wenn die zweite Ableitung sich bei einem Wert kleiner als ±7 stabilisiert. Es wird bemerkt werden, dass, um den Modus Nr. 3 zu verlassen, eine erste Ableitung ohne Fehler aufgezeichnet worden sein muss. Tatsächlich muss, da der Modus Nr. 2 (ebenso wie Modus Nr. 1) nur die zweite Ableitung aufzeichnet, es möglich sein, bei der Dekompression die erste Ableitung ausgehend von einem richtigen Wert neu zu berechnen, um jegliche Abweichung zu vermeiden.

Ein weiterer Code wird reserviert. Es handelt sich z.B. um den Code –63, der dazu dient, eine Änderung der Auflösung einzuführen (Divisor durch R des Schritts 7). Es wird bemerkt werden, dass die Änderung der Resolution nur erfolgt, wenn das System im Modus Nr. 3 ist. Wenn das Modul zur Verwaltung der Speicherkapazität (Schritt 8, weiter oben beschrieben) entscheidet, dass die Auflösung zu verändern ist, wird darauf gewartet, im Modus Nr. 3 zu sein, um dies zu tun; wenn der Modus Nr. 3 sich nicht innerhalb einer gegebenen Zeit einstellt (z.B. im Fall eines langsamen Signals nach einer Störung), kann der Algorithmus dann den vorübergehenden Übergang zum Modus Nr. 3 erzwingen, um in den Speicher den spezifischen Code der Änderung zur Auflösung einzubringen.

Speicherung

Die so mit einem dieser Kompressionsmodi kodierten Daten werden Stück für Stück in den Oktetten oder den Worten des Holter-Speichers abgelegt (Schritt 14 der Speicherung). Es wird bemerkt werden, dass, aufgrund der Tatsache, dass die Daten keine feste Länge besitzen, eine Grenzstelle eines Datums nicht notwendigerweise einer Grenzstelle eines Oktetts oder eines Wortes des Speichers entspricht.

Dekompression

Die Dekompression wird vollzogen, indem die Daten in sequentieller Weise ausgelesen werden und mit einer inversen Kodierung konform mit dem laufenden Kodierungssystem (Modus Nr. 1, 2 oder 3) fortgefahren wird. So, wenn man sich im Modus Nr. 1 befindet, liest der Algorithmus die Bits, bis er eine '0' oder eine Wiederholung von fünf '1' findet. In letzterem Fall geht er in Modus Nr. 2 über und liest die Sequenz von Daten in Bruchteilen von vier aufeinander folgenden Bits, ohne besondere Schwierigkeit in dem Maß, in welchem die Kodierung von fester Länge in diesem Modus ist. Im Fall des Modus Nr. 3 wird in gleicher Weise fortgefahren, jedoch mit Blöcken von 7 Bits.

In den Modi Nr. 1 und Nr. 2, nachdem so der Wert der zweiten Ableitung wieder gefunden wurde, wird diese integriert, um die erste Ableitung zu erhalten. Im Modus Nr. 3 wird die erste Ableitung direkt ausgelesen (oder nach inverser Transkodierung durch die logarithmische Tabelle, gegebenenfalls).

Schließlich ergibt die Integration der ersten Ableitung die Amplitude des tatsächlichen Signals, die dann auf einem Schirm angezeigt werden kann, abgelegt in einem Datenspeicher, gezeichnet auf einem Bandaufzeichnungsgerät, etc., um seine Interpretation durch den Arzt zu erlauben.

Wie leicht verstanden werden wird, kann sich die so verwirklichte Dekompression nur sequentiell vollziehen.

Eine erste Möglichkeit, die einfachste, besteht in der Ausführung einer integralen Dekompression der vollständigen Datei, vom Anfang bis zum Ende.

Trotz der Geschwindigkeit der Dekompression (typischerweise 400 bis 500 mal die tatsächliche Zeit mit den aktuell in diesen Anwendungen verwendeten Rechnern), kann dieser vorherige Arbeitsschritt mehrere Minuten beanspruchen, was störend sein kann, wenn gewünscht wird, das Signal schnell erforschen zu können, insbesondere wenn die interessanten Teile desselben zum Ende der Aufzeichnung hin liegen.

Um einen schnelleren Zugriff auf einen EKG-Abtastwert zu erlauben, der an irgendeiner Stelle der Aufzeichnung liegt, kann vorteilhafterweise, gleichzeitig mit der Kompression, periodisch in einer Zustandstabelle (Schritt 15 in 1), z.B. jede Minute, eine Rubrik aufgezeichnet werden, welche den augenblicklichen Zustand des Systems angibt: laufender Modus (Nr. 1, 2 oder 3), Auflösung (Wert des Faktors R), Position der nächsten Aufzeichnung in der Datei (notwendig, wenn eine Grenzstelle eines Worts oder Oktetts der Datei nicht einer Grenzstelle der Aufzeichnung entspricht) und Wert der ersten Ableitung.

Wenn gewünscht wird, im Moment der Auszählung der Aufzeichnung, bei Lektüre eines bestimmten Bruchteils dieser Aufzeichnung, fortzufahren, genügt es, in der Tabelle den Zustand der Daten entsprechend der Minute, welche dem ausgewählten Zeitpunkt vorausgeht, zu suchen und die Dekompression ausgehend von dieser Position im Speicher zu vollziehen, und nicht mehr ausgehend vom Beginn des Speichers, wie im vorhergehenden Fall. Man gelangt so in praktisch sofortiger Weise zum gesuchten Punkt, was erlaubt, ohne Verzögerung den EKG-Abtastwert darzustellen, der durch den Arzt gewünscht wird.

Die Schrittweite dieser Tabelle kann selbstverständlich auch anders als ein Schritt jede Minute sein, muss aber in der Praxis zwischen einigen Sekunden und einigen Minuten liegen, um nicht ein zu erhebliches Volumen in dem Ablagespeicher zu besetzen, während sie hinreichend leistungsfähig bleibt.

In einer möglichen Abwandlung wird diese Zustandstabelle nicht in Echtzeit im Augenblick der Aufzeichnung von Daten in dem Holter-Speicher gebildet, sondern in einer zur ersten Auszählung der Daten verschobenen Zeit integral ausgeführt. Dies erlaubt, im Speicher im Rechner des Arztes die Daten in komprimierter Form zu konservieren, mit einem korrelativen Platzgewinn.

Abgewandelte Ausführungsformen

Das Verfahren zur Kompression in drei Modi (Modi Nr. 1, 2 und 3, weiter oben beschrieben) ist nicht beschränkend für die Erfindung.

Es ist möglich, z.B. ein vereinfachtes Verfahren zu verwenden, das nur zwei Modi umfasst, die Modi 1 und 3 zum Beispiel.

Umgekehrt ist es möglich, das Verfahren mit einem System von n (n > 3) Modi zu vervollkommnen. Indem das Verfahren so verallgemeinert wird, kann die Größe der in den Speicher geschriebenen Worte abhängig von ankommenden Daten optimiert werden.

Das System bewahrt immer das Prinzip einer Kodierung der zweiten Ableitung für die Modi Nr. 1 bis n – 1 und der Kodierung der ersten Ableitung für den Modus n des höchsten Niveaus. Genauer werden auf einer Anzahl von gegebenen Punkten, d.h. einem „Horizont", der variabel sein kann, die maximalen positiven und negativen Werte berechnet, welche die zweite Ableitung und die erste Ableitung annehmen. Abhängig von diesen Maxima wird eine gegebene Wortgröße ausgewählt (z.B. ein Bit für aufeinanderfolgende Nullen, zwei Bit für –1, 0, +1), wobei der negative Extremwert dazu dient, den derzeit betrachteten Modus zu verlassen, wobei dieser negative Extremwert unmittelbar durch ein Wort von 3 Bits gefolgt wird, welches das Niveau des folgenden Modus definiert: Nr. 1 für 1 Bit, Nr. 2 für 2 Bit, ... Nr. 7 für 7 Bits (entsprechend einer Kodierung der ersten Ableitung über eine logarithmische Tafel). Das Wort Null ist selbst reserviert, um die Änderungen der Auflösung einzuführen, die in gleicher Weise und unter denselben Beschränkungen stattfinden, wie in dem Verfahren mit drei Modi, das weiter oben beschrieben wurde.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Kompression physiologischer Daten, gekennzeichnet durch die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte:

    a) Erfassung (1) der Daten durch Empfang eines elektrischen Signals und Abtasten dieses Signals mit einer gegebenen Frequenz;

    c) Bestimmung (4) der ersten Ableitung (D') des abgetasteten Signals (D);

    e) Bestimmung (9) der zweiten Ableitung (D'') des gleichen abgetasteten Signals;

    f) Prädiktive Analyse des abgetasteten Signals abhängig von einer Vielzahl von zukünftigen Werten der ersten und zweiten Ableitung, und Auswahl (10), für den aktuellen Abtastwert, eines Kodierungsmodus unter einer Vielzahl von vordefinierten, dynamisch vertauschbaren Kodierungsmodi (11, 12, 13), um das Gesamtvolumen der durch die Kodierung der genannten Vielzahl von zukünftigen Werten erzeugte Volumen zu optimieren; und

    g) Kompression der Daten durch Verwirklichung des in Schritt (f) ausgewählten Kodierungsmodus (11, 12, 13).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem Schritt (g) umfasst:

    g1) im Fall der Änderung des Modus die Erzeugung eines Modus-Änderungscodes, und

    g2) die Erzeugung eines Datencodes, der repräsentativ für den aktuellen Abtastwert ist, ausgehend von dem entsprechenden aktuellen Wert der ersten Ableitung oder der zweiten Ableitung.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, in welchem, nach Schritt (g), ein Schritt vorgesehen ist, der:

    h) sequentiellen Speicherung (14) der in den Schritten (g1) und (g2) erzeugten Codes.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem, zwischen Schritt (a) und (c) ein Schritt vorgesehen ist, der:

    b) Beseitigung der Interferenzen mit der Netzfrequenz durch Vorbehandlung (2, 3) der abgetasteten Daten.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem, in Schritt (c), die erste Ableitung erhalten wird durch Bestimmung des Inkrements zwischen dem aktuellen Abtastwert des Signals, der in Schritt (a) erfasst wurde, und einem wiederberechneten Wert, der dem vorhergehenden Abtastwert des Signals entspricht, wie etwa in Schritt (g) komprimiert, dann dekomprimiert durch Verwirklichung eines in begleitender Weise ausgeführten Zusatzschritts (6) der umgekehrten Kodierung.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem ferner zwischen Schritt (c) und Schritt (e) ein Schritt vorgesehen ist, der:

    d) Reduktion (7) eines gegebenen Faktors (R) der Auflösung des abgetasteten Signals, wobei dieser Faktor bestimmt wird durch Vergleich zwischen einem aktuellen mittleren Durchsatz des Flusses der in Schritt (h) gespeicherten Daten und eines nominalen Soll-Durchsatzes, in welchem der Faktor der Reduktion erhöht wird, wenn der mittlere Durchsatz größer als der nominale Durchsatz ist, und umgekehrt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die Mehrzahl von Kodierungsmodi einen ersten Kodierungsmodus (11) umfasst, in welchem in einem Wort variabler Länge der Wert der zweiten Ableitung des abgetasteten Signals gespeichert wird, indem für jeden möglichen Wert eine unterschiedliche Wortlänge zugewiesen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, in welchem der erste Kodierungsmodus ausgewählt wird, wenn der absolute Wert der zweiten Ableitung des abgetasteten Signals kleiner als ein erster vorherbestimmter Grenzwert ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die Vielzahl von Kodierungsmodi einen Kodierungsmodus (12) umfasst, der zweiter Kodierungsmodus genannt wird, in welchem in einem Wort fester Länge der Wert der zweiten Ableitung des abgetasteten Signals gespeichert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, in welchem der zweite Kodierungsmodus ausgewählt wird, wenn der absolute Wert der zweiten Ableitung des abgetasteten Signals größer als ein erster vorherbestimmter Grenzwert und kleiner als ein zweiter vorherbestimmter Grenzwert ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die Vielzahl von Kodierungsmodi einen Kodierungsmodus (13) umfasst, der dritter Kodierungsmodus genannt wird, in welchem in einem Wort fester Länge der Wert der ersten Ableitung des abgetasteten Signals gespeichert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem genannten dritten Kodierungsmodus (13), in dem genannten Wort fester Länge das Ergebnis einer logarithmischen Transkodierung des Werts der ersten Ableitung des abgetasteten Signals gespeichert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, in welchem der dritte Kodierungsmodus ausgewählt wird, wenn der absolute Wert der zweiten Ableitung des abgetasteten Signals größer als ein dritter vorherbestimmter Grenzwert ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Schritt der Aufzeichnung (15) in regelmäßigen Intervallen, in einer Tabelle von Zuständen, des aktuellen Werts der ersten Ableitung, des aktuellen ausgewählten Modus und der Position in der Aufzeichnung des aktuellen gespeicherten Datums.
  15. Verfahren zur Dekomprimierung von Daten, die gemäß dem Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche komprimiert und gespeichert wurden, gekennzeichnet durch die aufeinanderfolgenden Schritte:

    – des sequentiellen Lesens der gespeicherten Daten,

    – der Bestimmung des Kodierungsmodus des aktuellen gelesenen Datums, und

    – der Dekomprimierung des Datums durch umgekehrte Kodierung, entsprechend dem Kodierungsmodus des aktuellen gelesenen Datums.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






IPC
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