WO2014101913A1 - Method and device for quantifying a respiratory sinus arrhythmia and use of said type of method or said type of device - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method and a device for quantifying a respiratory sinus arrhythmia and to the use of such a method or device.
- Heart rate variability is the term used to describe heart rate fluctuations from heartbeat to heartbeat.
- the HRV can be quantified by suitable mathematical methods, e.g.
- the heart rate variability is an expression of the continuous adjustment of the heart rate to changing requirements in the human organism and therefore allows conclusions on the neurovegetative regulatory ability of humans, in particular the function of the parasympathetic nervous system with its main nerve (vagus nerve) attributed a particular importance (Clin Sei (Lond.) 2012 Apr; 122 (7): 323-8 You may need the vagus nerve to understand pathophysiology and treat diseases; De Couck M, Mravec B, Gidron Y).
- This property of the parasympathetic nervous system is used to differentiate between the activity of the sympathetic and the parasympathetic nervous system by subjecting the heart rate profile to spectral analysis, eg by means of a Fast Fourier Transformation (FFT) (see FIG. 1b).
- FFT Fast Fourier Transformation
- FIG. 2a shows a typical heart rate curve in humans
- FIG. 2b shows the associated spectral analysis.
- the area of the spectral analysis designated as "HF” (high frequency), designates a control range of the heart rate, which is exclusively due to the influence of the parasympathetic nervous system (0.15 Hz to 0.4 Hz) .
- the "JLF” low frequency
- the area identified comprises a frequency range in which the sympathetic and parasympathetic nerves overlap (0.04 to 0.15 Hz).
- the frequency range referred to as "VLF” involves very slow acting influences such as thermoregulation Because of the required long recording time, the "VLF” range does not matter in the short term HRV analysis and may be neglected in the further consideration.
- Another way to determine the parasympathetic activity is to quantify respiratory sinus arrhythmia.
- respiratory sinus arrhythmia the synchronization of the rhythms of respiration, blood pressure and heart rate leads to an approximately sinusoidal oscillation of the heart rate, which has a characteristic pattern in spectral analysis and is characterized by a large peak above the respiratory rate (FIG. 1b).
- the peak of the respiratory sinus arrhythmia is almost always in the LF (low frequency) range of the spectral analysis, but is still an expression of parasympathetic activity and not to be confused with sympathetic activity by the absence of a characteristic peak and a broad distribution of frequencies occurring in the LF range is characterized (see Figure 2b).
- DE 10 2006 039 957 A1 describes a spectral-analytical method for determining the respiratory sinus arrhythmia, which is based on a ratio of the integral component of two frequency ranges similar to the LF / HF quotient.
- EP 1 156 851 B1 or DE 600 32 581 T2 describes a spectral-analytical method for determining the respiratory sinus arrhythmia, in which the frequency of the peak is determined by means of a peak detection and subsequently an integral which comprises the peak, is set in relation to two integrals, each comprising an area below and above the peak frequency.
- a practical implementation of the methods mentioned in the two patents are, for example, devices for carrying out the so-called HRV biofeedback process.
- the respiratory sinus arrhythmia of the user is measured in real time and visualized by different colored LEDs.
- biofeedback effect the user can now specifically train his respiratory sinus arrhythmia and thus the influence of the health-promoting parasympathetic nervous system.
- DE 10 2008 030 956 AI shows an embodiment of such a device.
- the determination of the respiratory sinus arrhythmia by means of the spectral analysis of the prior art is due to the required mathematical methods such as a Fourier analysis, as disclosed for example in US 2007/0208266 AI, an FFT analysis, as in particular, for example EP 1 156 851 B1, WO 2008/028912 A2 of US Pat. No. 6,358,201, US Pat. No. 7,163,512 Bl, US Pat. No. 7,462,151 B2, US Pat. No. 8,066,637 B2 or US Pat US 8,123,696 B2 is disclosed, or a wavelet analysis before a high computing power, as it is quite common in the PC field today.
- US 2006/0074333 AI discloses complex computational steps to infer from biometric parameters that are measured to the state of the nervous system. In the realization of simple battery powered
- the standard deviation can be used as a statement for a variance of the corresponding signal with relatively little computation effort in the time domain (Proceedings of the 17th IEEE Symposium on Computer-Based Medical Systems (CBMS'04) 2004, pages 1 to 4; Raghavan V, Vikas Lath, Ashish Patil Sreejit Pillai), which in itself is not very meaningful.
- the noise is greatly reduced. This is also called coherence between heart rate and respiration. For this reason, the magnitude of the noise, in addition to the amplitude of the respiratory sinus arrhythmia, provides valuable information about parasympathetic activity. Due to the resonance characteristics of the physiological reflex arcs, the respiratory sinus arrhythmia is more pronounced in slow breathing with a maximum at about 0.1 Hz. The higher the respiratory rate, the lower its amplitude becomes. The determination of respiratory sinus arrhythmia is therefore usually performed at slower breathing. For this reason, it is usually sufficient to use the frequency components which occur above the respiratory frequency as the noise component. It is now possible to produce such a signal-to-noise ratio without spectral analysis in a simple manner:
- a respiratory sinus arrhythmia corresponds to the occurrence of a sinusoidal oscillation of a specific frequency in the heart rate curve, the frequency of the sinusoidal oscillation coinciding with the respiratory rate.
- the amplitude of the sinusoidal oscillation corresponds to the area swept by the sinusoidal curve, see FIG. 3.
- the respiratory sinus arrhythmia can be set by the use of a digital bandpass or lowpass filter Separate from the interfering frequency components ( Figure 4b) and determine the area under the curve.
- a digital high-pass filter on the heart rate curve for example, the noise component can now also be separated and likewise the area under the curve can be determined (FIG. 4c).
- the respiratory sinus arrhythmia can then be quantified as the ratio of the areas of the filtered curves: with passband as the area under the bandpass-filtered heart rate curve, where the frequency range that passes through the filter as undamped as possible should include the physiological range of the respiratory sinus arrhythmia.
- Possible frequency ranges would be, for example, the LF range known from the prior art 0.04 to 0.15 Hz.
- a frequency range could be selected which includes a physiological respiratory rate, eg between 5 and 10 breaths per minute, which corresponds to a frequency range of 0.083 to 0.166 Hz.
- a signal-to-noise ratio can be achieved which quantifies the magnitude of the respiratory sinus arrhythmia with sufficient accuracy. Due to the simple realization of digital but also analogue filters by means of fewer additions and multiplications, a complex spectral analysis can now be dispensed with, as a result of which smaller, more energy-efficient microprocessors can be used in devices for the determination of respiratory sinus arrhythmia.
- the heart rate curve is preferably recorded as a heartbeat rate over time or as a number of heartbeats per unit of time over time.
- a method for quantifying the respiratory sinus arrhythmia can be characterized in that a heart rate curve is separated by at least two filters in two different heart rate subcurves, wherein at least one of these heart rate sub-curves affects the frequency band of the respiratory sinus arrhythmia - or at least partially cuts or completely and by analyzing the two heart rate subcultures the respiratory sinus arrhythmia is quantified.
- a filter arrangement can be implemented on the one hand even by analog electronic modules and on the other hand by the simplest software engineering measures and allows a quick analysis of the heart rate curve.
- a range between 0.06 heart and 0.166 heart which corresponds to approximately 4 to 10 breaths per minute, is preferably selected or narrowed - the latter at the risk of breathing frequencies of individuals, such as athletes , no longer applicable.
- a device for quantifying the respiratory sinus arrhythmia is advantageous, which is characterized by measuring means for measuring a heart rate curve, by at least two filters for separating the heart rate curve into two different heart rate subcurves, by at least one analyzer for analyzing juxtaposition of the two heart rate subcurves and by at least one output device for Output of the result of the analyzer distinguished.
- the other of the heart rate sub-curves does not include the respiratory sinus arrhythmia frequency band. In this way structurally very easy separation and thus good signal sharpness can be achieved.
- the areas A and B are determined under the two heart rate sub-curves and set in relation to each other, wherein the ratio G quantifies the respiratory sinus arrhythmia.
- a weighting for example via a factor c, d or an exponent p, q, may be possible.
- Such weighting may be readily experimentally chosen and, for example, tuned to output a binary signal G, such as "good” and "bad", as quantification, if the corresponding factors c, d and exponents p, q are chosen such that that a sufficiently significant transition is available at an output of a corresponding device.
- the heart rate curve can be separated by more than two filters into a corresponding number of different heart rate subcurves.
- the heart rate sub-curves which affect the frequency band of the respiratory sinus arrhythmia are first evaluated and the rating A summarized and the heart rate sub-curves which do not contain or affect the frequency band of the respiratory sinus arrhythmia are evaluated and the rating evaluated B summarized. Subsequently, the summaries for the quantification G of the respiratory sinus arrhythmia can be analyzed.
- the areas under the two heart rate subcurves are preferably determined and added to the summary, wherein in particular the combined heart rate subcurves can be set in relation to one another for analysis. This ratio can then be used to quantify G respiratory sinus arrhythmia.
- At least one of the scores is weighted prior to combining the respective heart rate subcurves.
- the significance of the output signal can be specifically adapted to the respective requirements.
- At least one of the summaries may be weighted prior to analysis. This can also be done via a factor or the like. Preferably, this is done via an exponent.
- the analysis device may have at least one integrator for determining the area under a heart rate sub-curve, whereby a corresponding area calculation can be carried out quickly and easily.
- an integrator is provided per heart rate sub-curve.
- a corresponding analysis device can have at least one amplifier for amplifying one of the two heart rate subcurves, wherein in the present context the term "amplification" includes a multiplication by a factor which can certainly also take place with a value below 1, which leads to a corresponding reduction Likewise, the amplifier may have an exponential or logarithmic or a multiplying characteristic curve, Preferably an amplifier is provided for each heart rate component curve.
- the analysis means may comprise at least one adder for adding heart rate subcurves modified by the analyzer, for example heart rate subcircuits modified by the enhancers or integrators.
- the analyzing means may have at least one divider for setting heart rate part curves modified by the analyzing means, whereby a corresponding analysis can be performed quickly and precisely.
- the analysis device can cumulatively or alternatively also comprise a multiplier, possibly a plurality of multipliers with different characteristic curves, in particular in order, for example, to weight individual or groups of high-frequency partial curves with a factor or exponent.
- one of the filters can also be a digital filter, so that the overall arrangement can also be implemented in digital form.
- the other components of the analysis device such as the integrators, amplifiers, multipliers or adders, are also configured correspondingly digital.
- the corresponding method or the device is particularly suitable for biofeedback by taking a measurement and evaluation in real time and displaying the result of the evaluation in real time.
- a corresponding display can be made for example by "good” or "bad” but also by a finer resolution.
- FIG. 1 shows an example of a respiratory sinus arrhythmia with the individual recorded data (a) and the resulting spectral analysis (b);
- FIG. 2 shows a ten-minute recording of the heart rate curve (a) and the associated spectral analysis (b);
- FIG. 3 shows an exemplary heart rate variability only with consideration of
- FIG. 4 shows an exemplary heart rate variability taking into account further
- Figure 5 shows an exemplary construction of the filter and analysis device.
- a heart rate curve (FIG. 1 a) via an input 1 via three filters 11, 12, 13 on the one hand frequencies below the respiratory sinus arrhythmia via the filter 11, which very low frequencies (very low frequencies VLF ) as well as above the respiratory sinus arrhythmia via the filter 13, which filters high frequencies (high frequencies HF), from the frequency band of respiratory sinus arrhythmia between 0.06 heart and 0.166 heart (low frequencies LF) passing through the filter 12 into one third branch to be filtered out, separated.
- Integrators 21, 22, 23 are used to integrate the areas under the respective variations, as shown by way of example in FIGS. 4b and 4c and then weighted via suitable amplifiers 31, 32, 33.
- the amplifiers 31, 33 are attenuating amplifiers with a factor below one, while the amplifier 32, which amplifies the respiratory sinus arrhythmia, sets an over unity factor to the integrated values.
- the values correspondingly reduced via the amplifiers 31, 33 are added up in an adder 41.
- further adders may be provided, in particular if a plurality of filters are also provided in the area of the respiratory sinus arrhythmia, the outputs of which are optionally integrated separately and weighted with different factors.
- the accumulated values from the adder 41, or the amplified values from the amplifier 32 are supplied to an exponential weighting in the multipliers 51, 52, in order subsequently to divide them in a divisor 61 according to the above-mentioned formula. From this follows then a corresponding output signal at an output 2, which represents a measure of the respiratory sinus arrhythmia.
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Abstract
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Quantifizierung einer respiratorischen Sinusarrhythmie Verwendung eines derartigen Verfahrens oder einer derartigen Vorrichtung Method and apparatus for quantifying a respiratory sinus arrhythmia Use of such a method or device
[01] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Quantifizierung einer respiratorischen Sinusarrhythmie sowie Verwendung eines derartigen Verfahrens oder einer derartigen Vorrichtung. [01] The invention relates to a method and a device for quantifying a respiratory sinus arrhythmia and to the use of such a method or device.
[02] Als Herzratenvariabilität, abgekürzt HRV oder auch Herzfrequenzvariabilität genannt, bezeichnet man die Schwankungen der Herzfrequenz von Herzschlag zu Herzschlag. Die HRV kann durch geeignete mathematische Verfahren quantifiziert werden, z.B. mittels des gebräuchlichen statistischen Streuungsmaßes„Standardabweichung". Die Herzratenvariabilität ist Ausdruck der kontinuierlichen Anpassung der Herzfrequenz an wechselnde Anforderungen im menschlichen Organismus und lässt deshalb Rückschlüsse auf die neurovegetative Regulationsfähigkeit des Menschen zu. Insbesondere der Funktion des parasympathischen Nervensystems mit seinem Hauptnerv (Nervus Vagus) wird dabei eine besondere Wichtigkeit zugeschrieben (Clin Sei (Lond). 2012 Apr;122(7):323-8 You may need the vagus nerve to understand pathophysiology and to treat diseases; De Couck M, Mravec B, Gidron Y). [02] Heart rate variability, HRV for short or heart rate variability, is the term used to describe heart rate fluctuations from heartbeat to heartbeat. The HRV can be quantified by suitable mathematical methods, e.g. The heart rate variability is an expression of the continuous adjustment of the heart rate to changing requirements in the human organism and therefore allows conclusions on the neurovegetative regulatory ability of humans, in particular the function of the parasympathetic nervous system with its main nerve (vagus nerve) attributed a particular importance (Clin Sei (Lond.) 2012 Apr; 122 (7): 323-8 You may need the vagus nerve to understand pathophysiology and treat diseases; De Couck M, Mravec B, Gidron Y).
[03] Eine nicht ausreichende Funktion des Parasympathikus bzw. ein Überwiegen des Sympathikus kann sich in einer geringen HRV bemerkbar machen. In schweren Fällen liegt das Bild einer Herzfrequenzstarre vor. Der Zusammenhang zwischen geringer HRV und erhöhter Morbidität und Mortalität wurde in zahlreichen Studien vielfach bestätigt und gilt heute als gesichert (Int J Cardiol. 2010 May 28;141(2): 122-31. Epub 2009 Nov 11 The relationship of autonomic imbalance, heart rate variability and cardiovascular disease risk factors; Thayer JF, Yamamoto SS, Brosschot JF). An insufficient function of the parasympathetic nervous system or a predominance of the sympathetic nervous system can be manifested in a low HRV. In severe cases, the picture of a heart rate stiffness is present. The association between low HRV and increased morbidity and mortality has been widely acknowledged in many studies and is now considered to be reliable (Int J Cardiol 2010 May 28; 141 (2): 122-31.) Epub 2009 Nov 11 The relationship of autonomic imbalance, heart rate variability and cardiovascular disease risk factors; Thayer JF, Yamamoto SS, Brosschot JF).
[04] Die Bestimmung der HRV mittels der Herzfrequenzanalyse in Ruhe und unter Stimulation gilt heute als wichtigste Untersuchungsmethode in der Diagnostik des autonomen Nervensystems (Eur Heart J. 1996 Mar; 17(3): 354-81 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). The determination of HRV by means of heart rate analysis at rest and under stimulation is considered today as the most important method of investigation in the diagnosis of the autonomic nervous system (Eur Heart J. 1996 Mar; 17 (3): 354-81 Heart rate variability. Physiological interpretation, and clinical use, Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology).
|Bestätigungskopie| [05] Der Einfluss des parasympathischen Nervensystems zeigt sich vor allem in der Größe der respiratorischen Sinusarrhythmie (RSA). Darunter versteht man die Oszillation der Herzfrequenz synchron zur Atmung, wobei beim Einatmen die Herzfrequenz ansteigt und beim Ausatmen wieder abfällt. Figuren la und b zeigen ein Beispiel einer ausgeprägten respiratorischen Sinusarrhythmie. Die respiratorische Sinusarrhythmie wird ausschließlich durch den Parasympathikus vermittelt, der Sympathikus hat daran keinen Anteil. Dies liegt in der Geschwindigkeit der beiden Regelsysteme Sympathikus und Parasympathikus begründet, wobei der Parasympathikus deutlich schneller regeln kann als der Sympathikus. Diese Eigenschaft des Parasympathikus macht man sich zu Nutze, um zwischen der Aktivität des Sympathikus und der des Parasympathikus zu differenzieren, in dem man den Herzfrequenzverlauf einer Spektralanalyse, z.B. mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT), unterzieht (siehe Figur lb). | Confirmation copy | [05] The influence of the parasympathetic nervous system is particularly evident in the size of the respiratory sinus arrhythmia (RSA). This refers to the oscillation of the heart rate in synchrony with the breathing, whereby the inhalation increases the heart rate and drops again when exhaling. Figures la and b show an example of a pronounced respiratory sinus arrhythmia. The respiratory sinus arrhythmia is mediated exclusively by the parasympathetic nervous system, the sympathetic has no part in it. This is due to the speed of the two control systems sympathetic and parasympathetic, whereby the parasympathetic nervous system can regulate much faster than the sympathetic nervous system. This property of the parasympathetic nervous system is used to differentiate between the activity of the sympathetic and the parasympathetic nervous system by subjecting the heart rate profile to spectral analysis, eg by means of a Fast Fourier Transformation (FFT) (see FIG. 1b).
[06] Figur 2a zeigt einen typischen Herzfrequenzverlauf am Menschen, Figur 2b zeigt die zugehörige Spektralanalyse. Der als „HF" (high frequency) gekennzeichnete Bereich der Spektralanalyse bezeichnet dabei einen Regelbereich der Herzfrequenz, der ausschließlich durch den Einfluss des Parasympathikus zustande kommt (0,15 Hz bis 0,4 Hz). Der als ,JLF" (low frequency) gekennzeichnete Bereich umfasst einen Frequenzbereich, in dem sich Sympathikus und Parasympathikus überlappen (0,04 bis 0,15Hz). Der als „VLF" bezeichnete Frequenzbereich beinhaltet sehr langsam einwirkende Einflüsse wie z.B. die Thermoregulation. Aufgrund der erforderlichen langen Aufnahmezeit spielt der„VLF"-Bereich bei der Kurzzeit- HRV-Analyse keine Rolle und kann in der weiteren Betrachtung vernachlässigt werden. FIG. 2a shows a typical heart rate curve in humans, FIG. 2b shows the associated spectral analysis. The area of the spectral analysis, designated as "HF" (high frequency), designates a control range of the heart rate, which is exclusively due to the influence of the parasympathetic nervous system (0.15 Hz to 0.4 Hz) .The "JLF" (low frequency) The area identified comprises a frequency range in which the sympathetic and parasympathetic nerves overlap (0.04 to 0.15 Hz). The frequency range referred to as "VLF" involves very slow acting influences such as thermoregulation Because of the required long recording time, the "VLF" range does not matter in the short term HRV analysis and may be neglected in the further consideration.
[07] Es ist schon lange Stand der Technik, die unterschiedlichen Aktivitäten von Sympathikus und Parasympathikus durch Parameter zu quantifizieren, die durch eine Spektralanalyse gewonnen werden. So wird beispielsweise in vielen wissenschaftlichen Studien der LF/HF-Quotient verwendet, um die Balance von Sympathikus und Parasympathikus anzuzeigen. Ins Verhältnis gesetzt wird dabei das Integral der Frequenzverteilung im LF- Bereich zum Integral der Frequenzkurve im HF-Bereich. Dabei geht man davon aus, dass der HF-Bereich ausschließlich den Parasympathikus abbildet und der LF-Bereich näherungsweise die Aktivität des Sympathikus widerspiegelt (Eur Heart J. 1996 Mar;17(3):354-81 ; 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). [08] Ein weiterer Weg, um die Aktivität des Parasympathikus zu bestimmen, ist die Quantifizierung der respiratorischen Sinusarrhythmie. Im Zustand der respiratorischen Sinus- arrhythmie führt die Synchronisierung der Rhythmen von Atmung, Blutdruck und Herzfrequenz zu einer angenähert sinusförmigen Schwingung der Herzfrequenz, die in der Spektralanalyse einen charakteristisches Muster aufweist und sich durch einen großen Peak über der Atemfrequenz (Figur lb) auszeichnet. Aufgrund der optimalen Resonanzfrequenz der respiratorischen Sinusarrhythmie von ca. 0,1 Hz liegt der Peak der respiratorischen Sinusarrhythmie praktisch immer im LF-(low frequency)-Bereich der Spektralanalyse, ist aber trotzdem Ausdruck parasympathischer Aktivität und nicht zu verwechseln mit sympathischer Aktivität, die durch das Fehlen eines charakteristischen Peaks und eine breite Verteilung der auftretenden Frequenzen im LF-Bereich gekennzeichnet ist (siehe Figur 2b). [07] It has long been the state of the art to quantify the different activities of the sympathetic and parasympathetic nervous system by parameters obtained by spectral analysis. For example, in many scientific studies the LF / HF ratio is used to indicate the balance of sympathetic and parasympathetic nervous system. The ratio of the frequency distribution in the LF range to the integral of the frequency curve in the HF range is set into proportion. It is assumed that the HF-range reflects only the parasympathetic nervous system and the LF-range approximately reflects the activity of the sympathetic nervous system (Eur Heart J. 1996 Mar; 17 (3): 354-81; Heart rate variability , Physiological Interpretation, and Clinical Use, Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology). [08] Another way to determine the parasympathetic activity is to quantify respiratory sinus arrhythmia. In the condition of respiratory sinus arrhythmia, the synchronization of the rhythms of respiration, blood pressure and heart rate leads to an approximately sinusoidal oscillation of the heart rate, which has a characteristic pattern in spectral analysis and is characterized by a large peak above the respiratory rate (FIG. 1b). Due to the optimal resonance frequency of the respiratory sinus arrhythmia of about 0.1 Hz, the peak of the respiratory sinus arrhythmia is almost always in the LF (low frequency) range of the spectral analysis, but is still an expression of parasympathetic activity and not to be confused with sympathetic activity by the absence of a characteristic peak and a broad distribution of frequencies occurring in the LF range is characterized (see Figure 2b).
[09] Es ist deshalb möglich, die Amplitude der respiratorischen Sinusarrhythmie über eine Spektralanalyse zu bestimmen. So beschreibt beispielsweise die DE 10 2006 039 957 AI ein spektral-analytisches Verfahren zur Bestimmung der respiratorischen Sinusarrhythmie, dem ein Verhältnis des Integralanteils zweier Frequenzbereiche ähnlich dem LF/HF-Quotienten zugrunde liegt. Die EP 1 156 851 Bl bzw. der DE 600 32 581 T2 wiederum beschreibt ein spektral-analytisches Verfahren zur Bestimmung der respiratorischen Sinusarrhythmie, bei dem mittels einer Peak-Detektion die Frequenz des Peaks bestimmt wird und nachfolgend ein Integral, das den Peak umfasst, ins Verhältnis zu zwei Integralen gesetzt wird, die jeweils einen Bereich unter und oberhalb der Peakfrequenz umfassen. Eine praktische Umsetzung der in den beiden Patenten genannten Verfahren sind beispielsweise Geräte zur Durchführung des sogenannten HRV-Biofeedbackverfahrens. Dabei wird die respiratorische Sinusarrhythmie des Anwenders in Echtzeit gemessen und durch verschiedenfarbige LEDs visualisiert. Durch den sogenannten Biofeedbackeffekt kann nun der Anwender gezielt seine respiratorische Sinusarrhythmie und damit den Einfluss des gesundheitsförderlichen Parasympathikus trainieren. Die DE 10 2008 030 956 AI zeigt ein Ausführungsbeispiel so eines Geräts. [09] It is therefore possible to determine the amplitude of the respiratory sinus arrhythmia by spectral analysis. For example, DE 10 2006 039 957 A1 describes a spectral-analytical method for determining the respiratory sinus arrhythmia, which is based on a ratio of the integral component of two frequency ranges similar to the LF / HF quotient. EP 1 156 851 B1 or DE 600 32 581 T2, in turn, describes a spectral-analytical method for determining the respiratory sinus arrhythmia, in which the frequency of the peak is determined by means of a peak detection and subsequently an integral which comprises the peak, is set in relation to two integrals, each comprising an area below and above the peak frequency. A practical implementation of the methods mentioned in the two patents are, for example, devices for carrying out the so-called HRV biofeedback process. The respiratory sinus arrhythmia of the user is measured in real time and visualized by different colored LEDs. Through the so-called biofeedback effect, the user can now specifically train his respiratory sinus arrhythmia and thus the influence of the health-promoting parasympathetic nervous system. DE 10 2008 030 956 AI shows an embodiment of such a device.
[10] Die Bestimmung der respiratorischen Sinusarrhythmie mittels der Spektralanalyse nach dem Stand der Technik setzt aufgrund der benötigten mathematischen Verfahren wie z.B. einer Fourieranalyse, wie sie beispielsweise in der US 2007/0208266 AI offenbart ist, einer FFT- Analyse, wie sie insbesondere beispielsweise in der EP 1 156 851 Bl, der WO 2008/028912 A2 der US 6,358,201, der US 7,163,512 Bl, der US 7,462,151 B2, der US 8,066,637 B2 oder der US 8,123,696 B2 offenbart ist, oder einer Wavelet-Analyse eine hohe Rechenleistung voraus, wie sie heute im PC-Bereich durchaus üblich ist. Auch die US 2006/0074333 AI offenbart komplexe Rechenschritte um aus biometrischen Parameteren, die gemessen werden, auf den Zustand des Nervensystems zu schließen. In der Realisierung einfacher batteriebetriebenerThe determination of the respiratory sinus arrhythmia by means of the spectral analysis of the prior art is due to the required mathematical methods such as a Fourier analysis, as disclosed for example in US 2007/0208266 AI, an FFT analysis, as in particular, for example EP 1 156 851 B1, WO 2008/028912 A2 of US Pat. No. 6,358,201, US Pat. No. 7,163,512 Bl, US Pat. No. 7,462,151 B2, US Pat. No. 8,066,637 B2 or US Pat US 8,123,696 B2 is disclosed, or a wavelet analysis before a high computing power, as it is quite common in the PC field today. Also, US 2006/0074333 AI discloses complex computational steps to infer from biometric parameters that are measured to the state of the nervous system. In the realization of simple battery powered
5 Geräte zur Bestimmung der respiratorischen Sinusarrhythmie sind aber wenig rechenintensive Analyseverfahren wünschenswert, weil dann auf den Einsatz teurer Mikroprozessoren mit hohem Stromverbrauch verzichtet werden kann. So kann beispielsweise mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand in der Zeit-Domain die Standardabweichung als Aussage für eine Varianz des entsprechenden Signals genutzt werden (Proceedings of the 17th IEEE Symposium iö on Computer-Based Medical Systems (CBMS'04) 2004, Seiten 1 bis 4; Raghavan V , Vikas Lath, Ashish Patil Sreejit Pillai), was jedoch an sich wenig aussagekräftig ist. 5 devices for the determination of respiratory sinus arrhythmia but less compute-intensive analysis methods are desirable because then can be dispensed with the use of expensive microprocessors with high power consumption. Thus, for example, the standard deviation can be used as a statement for a variance of the corresponding signal with relatively little computation effort in the time domain (Proceedings of the 17th IEEE Symposium on Computer-Based Medical Systems (CBMS'04) 2004, pages 1 to 4; Raghavan V, Vikas Lath, Ashish Patil Sreejit Pillai), which in itself is not very meaningful.
[1 1] Es ist mithin Aufgabe vorliegender Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden, wobei entsprechende Vereinfachungen natürlich auch bei Geräten mit größeren Rechenleistungen zu einer besseren Leistung und zu der Möglichkeit, die entsprechenden Geräte mit weiteren i5 Berechnungen und anderen Aufgaben gleichzeitig zu betrauen, führt. [1 1] It is therefore an object of the present invention to avoid these disadvantages, with corresponding simplifications of course also for devices with larger computing power to better performance and the ability to entrust the corresponding devices with other i 5 calculations and other tasks at the same time, leads.
[12] Als Lösung werden Verfahren und Vorrichtungen zur Quantifizierung der respiratorischen Sinusarrhythmie mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. [12] As a solution, methods and devices for quantifying the respiratory sinus arrhythmia with the features of the independent claims have been proposed. Further advantageous embodiments can be found in the subclaims and the following description.
20 [13] Der im Stand der Technik genannte LF/HF-Quotient sowie die in den Patenten DE 10 2006 039 957 AI und EP 1 156 851 Bl genannten Quotienten entsprechen letztlich einem Signal-Rauschverhältnis, wobei als Signalanteil die Amplitude der respiratorischen Sinus- arrhythmie verwendet wird und als Rauschanteil alle anderen auftretenden Frequenzen außerhalb der Atemfrequenz herangezogen werden. Der Rauschanteil wird deshalb in der Regel[13] The LF / HF quotient mentioned in the prior art as well as the quotients mentioned in the patents DE 10 2006 039 957 A1 and EP 1 156 851 B1 ultimately correspond to a signal-to-noise ratio, the amplitude of the respiratory sinusoidal signal being used as signal component. Arrhythmia is used and are used as noise all other frequencies occurring outside the respiratory rate. The noise component is therefore usually
25 mit erfasst, weil bei einer hohen Aktivität des Parasympathikus sich das Rauschen stark verringert. Man spricht hier auch von Kohärenz zwischen Herzfrequenz und Atmung. Aus diesem Grund liefert die Größe des Rauschens zusätzlich zur Amplitude der respiratorischen Sinusarrhythmie wertvolle Information über die Aktivität des Parasympathikus. [14] Aufgrund der Resonanzeigenschaften der physiologischen Reflexbögen ist die respiratorische Sinusarrhythmie bei langsamer Atmung stärker ausgeprägt mit einem Maximum bei ungefähr 0,1 Hz. Ihre Amplitude wird umso geringer, je höher die Atemfrequenz ist. Die Bestimmung der respiratorischen Sinusarrhythmie wird deshalb meist bei langsamer Atmung durchgeführt. Aus diesem Grund genügt es in der Regel, als Rauschanteil die Frequenzanteile heranzuziehen, die oberhalb der Atemfrequenz auftreten. Es ist nun möglich, ein solches Signal- Rauschverhältnis ohne Spektralanalyse auf einfache Art herzustellen: 25 , because with high activity of the parasympathetic nervous system, the noise is greatly reduced. This is also called coherence between heart rate and respiration. For this reason, the magnitude of the noise, in addition to the amplitude of the respiratory sinus arrhythmia, provides valuable information about parasympathetic activity. Due to the resonance characteristics of the physiological reflex arcs, the respiratory sinus arrhythmia is more pronounced in slow breathing with a maximum at about 0.1 Hz. The higher the respiratory rate, the lower its amplitude becomes. The determination of respiratory sinus arrhythmia is therefore usually performed at slower breathing. For this reason, it is usually sufficient to use the frequency components which occur above the respiratory frequency as the noise component. It is now possible to produce such a signal-to-noise ratio without spectral analysis in a simple manner:
[15] Eine respiratorische Sinusarrhythmie entspricht dem Auftreten einer Sinusschwingung einer bestimmten Frequenz in der Herzfrequenzkurve, wobei die Frequenz der Sinusschwingung mit der Atemfrequenz übereinstimmt. Die Amplitude der Sinusschwingung korrespondiert dabei mit der von der Sinuskurve überstrichenen Fläche, siehe Figur 3. Kommt es nun zur Überlagerung der respiratorische Sinusarrhythmie mit Frequenzen anderer Genese (Figur 4a), so lässt sich die respiratorische Sinusarrhythmie durch den Einsatz eines digitalen Bandpass- oder Tiefpassfilters von den störenden Frequenzanteilen abtrennen (Figur 4b) und die Fläche unter der Kurve bestimmen. Durch Verwendung eines digitalen Hochpassfilters auf die Herzfrequenzkurve lässt sich nun beispielsweise auch der Rauschanteil abtrennen und ebenfalls die Fläche unter der Kurve bestimmen (Figur 4c). Die respiratorische Sinusarrhythmie lässt sich dann als Verhältnis der Flächen der gefilterten Kurven quantifizieren: mit Aßandpass als die Fläche unter der Bandpass-gefilterten Herzfrequenzkurve, wobei der Frequenzbereich, der den Filter möglichst ungedämpft passiert, den physiologischen Bereich der respiratorischen Sinusarrhythmie umfassen sollte. Mögliche Frequenzbereiche wären z.B. der aus dem Stand der Technik bekannte LF-Bereich 0,04 bis 0,15 Hz. Alternativ könnte auch ein Frequenzbereich gewählt werden, der eine physiologische Atemfrequenz umfasst, z.B. zwischen 5 und 10 Atemzügen pro Minute, was einem Frequenzbereich von 0,083 bis 0,166 Hz entspricht. A respiratory sinus arrhythmia corresponds to the occurrence of a sinusoidal oscillation of a specific frequency in the heart rate curve, the frequency of the sinusoidal oscillation coinciding with the respiratory rate. The amplitude of the sinusoidal oscillation corresponds to the area swept by the sinusoidal curve, see FIG. 3. If respiratory sinus arrhythmia overlaps with frequencies of other genesis (FIG. 4a), the respiratory sinus arrhythmia can be set by the use of a digital bandpass or lowpass filter Separate from the interfering frequency components (Figure 4b) and determine the area under the curve. By using a digital high-pass filter on the heart rate curve, for example, the noise component can now also be separated and likewise the area under the curve can be determined (FIG. 4c). The respiratory sinus arrhythmia can then be quantified as the ratio of the areas of the filtered curves: with passband as the area under the bandpass-filtered heart rate curve, where the frequency range that passes through the filter as undamped as possible should include the physiological range of the respiratory sinus arrhythmia. Possible frequency ranges would be, for example, the LF range known from the prior art 0.04 to 0.15 Hz. Alternatively, a frequency range could be selected which includes a physiological respiratory rate, eg between 5 and 10 breaths per minute, which corresponds to a frequency range of 0.083 to 0.166 Hz.
und mit AHochPass als die Fläche unter der Hochpass-gefilterten Herzfrequenzkurve, wobei der Frequenzbereich, der den Filter möglichst ungedämpft passiert, über dem Frequenzbereich des Bandpass-Filters liegen sollte. Mögliche Frequenzbereiche wären z.B. der aus dem Stand der Technik bekannte HF-Bereich > 0,15 Hz, beziehungsweise jeder andere geeignete Frequenzbereich, der über dem Frequenzbereich des Bandpass- Filters liegt. and with A H and P ass as the area under the high pass filtered heart rate curve, where the frequency range that passes through the filter as undamped as possible should be above the frequency range of the bandpass filter. Possible frequency ranges would be For example, known from the prior art RF range> 0.15 Hz, or any other suitable frequency range, which is above the frequency range of the bandpass filter.
[16] Durch geeignete Wahl der Filterkoeffizienten und Frequenzbereiche lässt sich ein Signal-Rauschverhältnis erzielen, das mit hinreichender Genauigkeit die Größe der respiratorischen Sinusarrhythmie quantifiziert. Aufgrund der einfachen Realisierung digitaler aber auch analoger Filter mittels weniger Additionen und Multiplikationen kann nun auf eine aufwändige Spektralanalyse verzichtet werden, wodurch kleinere, stromsparendere Mikroprozessoren in Geräten zur Bestimmung der respiratorischen Sinusarrhythmie eingesetzt werden können. By suitable selection of the filter coefficients and frequency ranges, a signal-to-noise ratio can be achieved which quantifies the magnitude of the respiratory sinus arrhythmia with sufficient accuracy. Due to the simple realization of digital but also analogue filters by means of fewer additions and multiplications, a complex spectral analysis can now be dispensed with, as a result of which smaller, more energy-efficient microprocessors can be used in devices for the determination of respiratory sinus arrhythmia.
[17] Es versteht sich, dass die Filter im Zeitraum wirken bzw. dass die Herzfrequenzkurve im Zeitraum aufgenommen und entsprechend aufgetrennt wird. Etwaige komplexe Übergänge in den Frequenzraum, beispielsweise durch eine Fourier-Transformation, können dann vermieden werden. Andererseits ist es denkbar, dass die Filter selbst ggf. auf den Fourier-Raum zurückgreifen, um ihre Filterfunktion auszuüben, was jedoch angesichts der im Frequenzraum begrenzten Bandbreiten, in denen die Filter dann operieren, zu einem vertretbar geringem Rechenaufwand führt, da nicht die gesamte, im Zeitraum auftretende Herzfrequenzkurve entsprechend transformiert werden muss. [17] It is understood that the filters act in the period or that the heart rate curve is recorded in the period and separated accordingly. Any complex transitions in the frequency domain, for example by a Fourier transform, can then be avoided. On the other hand, it is conceivable that the filters themselves possibly resort to the Fourier space in order to exercise their filter function, which, however, in view of the limited bandwidth in the bandwidths in which the filters then operate, leads to a reasonably low computational effort, since not the entire , occurring during the period heart rate curve must be transformed accordingly.
[18] Vorzugsweise wird die Herzfrequenzkurve als Herzschlagsrate über der Zeit bzw. als Zahl der Herzschläge pro Zeiteinheit über der Zeit aufgenommen. [18] The heart rate curve is preferably recorded as a heartbeat rate over time or as a number of heartbeats per unit of time over time.
[19] So kann sich insbesondere ein Verfahren zur Quantifizierung der respiratorischen Sinusarrhythmie dadurch auszeichnen, dass eine Herzfrequenzkurve durch wenigstens zwei Filter in zwei unterschiedliche Herzfrequenzteilkurven aufgetrennt wird, wobei mindestens eine dieser Herzfrequenzteilkurven das Frequenzband der respiratorischen Sinusarrhythmie tangiert - oder dieses zumindest teilweise schneidet bzw. ganz umfasst - und wobei durch eine Analyse der beiden Herzfrequenzteilkurven die respiratorischen Sinusarrhythmie quantifiziert wird. Eine derartige Filteranordnung lässt sich einerseits sogar durch analoge elektronische Baugruppen und andererseits durch einfachste softwaretechnische Maßnahmen umsetzen und ermöglicht eine schnelle Analyse der Herzfrequenzkurve. [20] Als Frequenzband der respiratorischen Sinusarrhythmie wird vorzugsweise ein Bereich zwischen 0,06 Herz und 0, 166 Herz, was ungefähr 4 bis 10 Atemzügen pro Minute entspricht, gewählt oder schmaler - letzteres mit dem Risiko, dass Atemfrequenzen von Einzelpersonen, wie beispielsweise Sportlern, nicht mehr zutreffend erfasst werden können. Dementsprechend ist auch eine Vorrichtung zur Quantifizierung der respiratorischen Sinusarrhythmie vorteilhaft, welche sich durch Messmittel zur Messung einer Herzfrequenzkurve, durch wenigstens zwei Filter zur Auftrennung der Herzfrequenzkurve in zwei unterschiedliche Herzfrequenzteilkurven, durch wenigstens eine Analyseeinrichtung zur analysierenden Gegenüberstellung der beiden Herzfrequenzteilkurven und durch wenigstens einer Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe des Ergebnisses der Analyseeinrichtung auszeichnet. Thus, in particular, a method for quantifying the respiratory sinus arrhythmia can be characterized in that a heart rate curve is separated by at least two filters in two different heart rate subcurves, wherein at least one of these heart rate sub-curves affects the frequency band of the respiratory sinus arrhythmia - or at least partially cuts or completely and by analyzing the two heart rate subcultures the respiratory sinus arrhythmia is quantified. Such a filter arrangement can be implemented on the one hand even by analog electronic modules and on the other hand by the simplest software engineering measures and allows a quick analysis of the heart rate curve. As a frequency band of respiratory sinus arrhythmia, a range between 0.06 heart and 0.166 heart, which corresponds to approximately 4 to 10 breaths per minute, is preferably selected or narrowed - the latter at the risk of breathing frequencies of individuals, such as athletes , no longer applicable. Accordingly, a device for quantifying the respiratory sinus arrhythmia is advantageous, which is characterized by measuring means for measuring a heart rate curve, by at least two filters for separating the heart rate curve into two different heart rate subcurves, by at least one analyzer for analyzing juxtaposition of the two heart rate subcurves and by at least one output device for Output of the result of the analyzer distinguished.
[21] Vorzugsweise enthält die andere der Herzfrequenzteilkurven das Frequenzband der respiratorischen Sinusarrhythmie nicht. Auf diese Weise kann baulich sehr einfach eine gute Trennung und mithin eine gute Signalschärfe erzielt werden. [21] Preferably, the other of the heart rate sub-curves does not include the respiratory sinus arrhythmia frequency band. In this way structurally very easy separation and thus good signal sharpness can be achieved.
[22] Letzteres gilt auch, wenn die beiden Herzfrequenzteilkurven nicht überlappen. [22] The latter also applies if the two heart rate subcurves do not overlap.
[23] Vorzugweise werden zur Analyse die Flächen A und B unter den beiden Herzfrequenzteilkurven ermittelt und zueinander in ein Verhältnis gesetzt, wobei das Verhältnis G die respiratorische Sinusarrhythmie quantifiziert. Preferably for analysis, the areas A and B are determined under the two heart rate sub-curves and set in relation to each other, wherein the ratio G quantifies the respiratory sinus arrhythmia.
[24] Es versteht sich, dass, bevor die Herzfrequenzteilkurven zueinander in ein Verhältnis gesetzt werden, ggf. eine Wichtung, beispielsweise über einen Faktor c, d oder einen Exponenten p, q, erfolgen kann. Eine derartige Wichtung kann ohne weiteres experimentell gewählt werden und beispielsweise darauf abgestimmt sein, ein binäres Signal G, wie beispielsweise„Gut" und„Schlecht", als Quantifizierung ausgeben, wenn die entsprechenden Faktoren c, d und Exponenten p, q derart gewählt sind, dass ein ausreichend signifikanter Übergang an einem Ausgang einer entsprechenden Vorrichtung zur Verfügung steht. [25] Insbesondere kann die Herzfrequenzkurve durch mehr als zwei Filter in eine entsprechende Zahl unterschiedlicher Herzfrequenzteilkurven aufgetrennt werden. Vorzugsweise werden hierbei zunächst die Herzfrequenzteilkurven, welche das Frequenzband der respiratorischen Sinusarrhythmie tangieren - bzw. sogar schneiden, überlappen oder umfassen -, bewertet und die Bewertung A zusammengefasst sowie die Herzfrequenzteilkurven, welche das Frequenzband der respiratorischen Sinusarrhythmie nicht enthalten oder tangieren, bewertet und die Bewertung B zusammengefasst. Anschließend können die Zusammenfassungen zur Quantifizierung G der respiratorischen Sinusarrhythmie analysiert werden. [24] It is understood that, before the heart rate component curves are set in relation to each other, a weighting, for example via a factor c, d or an exponent p, q, may be possible. Such weighting may be readily experimentally chosen and, for example, tuned to output a binary signal G, such as "good" and "bad", as quantification, if the corresponding factors c, d and exponents p, q are chosen such that that a sufficiently significant transition is available at an output of a corresponding device. In particular, the heart rate curve can be separated by more than two filters into a corresponding number of different heart rate subcurves. Preferably, the heart rate sub-curves which affect the frequency band of the respiratory sinus arrhythmia are first evaluated and the rating A summarized and the heart rate sub-curves which do not contain or affect the frequency band of the respiratory sinus arrhythmia are evaluated and the rating evaluated B summarized. Subsequently, the summaries for the quantification G of the respiratory sinus arrhythmia can be analyzed.
[26] Vorzugsweise werden für die Bewertungen A, B jeweils die Flächen unter den beiden Herzfrequenzteilkurven ermittelt und zur Zusammenfassung aufaddiert, wobei insbesondere die zusammengefassten Herzfrequenzteilkurven zur Analyse zueinander in ein Verhältnis gesetzt werden können. Dieses Verhältnis kann dann zur Quantifizierung G der respiratorischen Sinusarrhythmie genutzt werden. [26] For the evaluations A, B, the areas under the two heart rate subcurves are preferably determined and added to the summary, wherein in particular the combined heart rate subcurves can be set in relation to one another for analysis. This ratio can then be used to quantify G respiratory sinus arrhythmia.
[27] Eine entsprechende Zusammenfassung kann beispielsweise durch einfache Summenbildung erfolgen. [27] An appropriate summary can be done, for example, by simple summation.
[28] Vorzugsweise wird vor dem Zusammenfassen der jeweiligen Herzfrequenzteilkurven wenigstens eine der Bewertung, vorzugsweise jeweils über einen Faktor c, d, gewichtet. Hierdurch lässt die Signifikanz des Ausgangssignals gezielt an die jeweiligen Erfordernissen anpassen. Preferably, at least one of the scores, preferably in each case via a factor c, d, is weighted prior to combining the respective heart rate subcurves. As a result, the significance of the output signal can be specifically adapted to the respective requirements.
_ lk.ckAk _ l k .c k A k
Σ? ά i B\ Σ ? ά i B \
[29] Insbesondere kann auch wenigstens eine der Zusammenfassungen vor der Analyse gewichtet werden. Dieses kann ebenfalls über einen Faktor oder ähnliches erfolgen. Vorzugsweise erfolgt dieses über einen Exponenten. [29] In particular, at least one of the summaries may be weighted prior to analysis. This can also be done via a factor or the like. Preferably, this is done via an exponent.
[30] Es versteht sich, dass ggf. auch komplexere Wichtungsfunktionen angesetzt werden können. [30] It goes without saying that even more complex weighting functions can be used if necessary.
[31] Die Analyseeinrichtung kann wenigstens einen Integrierer zur Ermittlung der Räche unter einer Herzfrequenzteilkurve aufweisen, wodurch eine entsprechende Flächenberechnung schnell und unkompliziert erfolgen kann. Vorzugsweise ist je Herzfrequenzteilkurve ein Integrierer vorgesehen. [31] The analysis device may have at least one integrator for determining the area under a heart rate sub-curve, whereby a corresponding area calculation can be carried out quickly and easily. Preferably, an integrator is provided per heart rate sub-curve.
[32] Eine entsprechende Analyseeinrichtung kann wenigstens einen Verstärker zur Verstärkung einer der beiden Herzfrequenzteilkurven aufweisen, wobei im vorliegenden Zusammenhang der Begriff„Verstärkung" eine Multiplikation mit einem Faktor beinhaltet, die durchaus auch mit einem Wert unter 1 erfolgen kann, was zu einer entsprechenden Verminderung führt. Ebenso kann der Verstärker eine exponentielle oder logarithmische bzw. eine multiplizierende Kennlinie aufweisen. Vorzugsweise ist je Herzfrequenzteilkurve ein Verstärker vorgesehen. [32] A corresponding analysis device can have at least one amplifier for amplifying one of the two heart rate subcurves, wherein in the present context the term "amplification" includes a multiplication by a factor which can certainly also take place with a value below 1, which leads to a corresponding reduction Likewise, the amplifier may have an exponential or logarithmic or a multiplying characteristic curve, Preferably an amplifier is provided for each heart rate component curve.
[33] Kumulativ bzw. alternativ hierzu kann die Analyseeinrichtung wenigstens einen Addierer zur Addition von durch die Analyseeinrichtung modifizierten Herzfrequenzteilkurven, beispielsweise durch die Verstärker oder Integrierer modifizierten Herzfrequenzteilkurven, aufweisen. Auch kann die Analyseeinrichtung wenigstens einen Dividierer zum Setzen von durch die Analyseeinrichtung modifizierter Herzfrequenzteilkurven in ein Verhältnis aufweisen, wodurch eine entsprechende Analyse schnell und präzise durchgeführt werden kann. Ebenso kann die Analyseeinrichtung kumulativ bzw. alternativ hierzu noch einen Multiplizierer, ggf. mehrere Multiplizierer mit unterschiedlichen Kennlinien, insbesondere um beispielsweise einzelne oder Gruppen von Hochfrequenzteilkurven mit einem Faktor oder Exponenten zu wichten, umfassen. Cumulatively or alternatively, the analysis means may comprise at least one adder for adding heart rate subcurves modified by the analyzer, for example heart rate subcircuits modified by the enhancers or integrators. Also, the analyzing means may have at least one divider for setting heart rate part curves modified by the analyzing means, whereby a corresponding analysis can be performed quickly and precisely. Likewise, the analysis device can cumulatively or alternatively also comprise a multiplier, possibly a plurality of multipliers with different characteristic curves, in particular in order, for example, to weight individual or groups of high-frequency partial curves with a factor or exponent.
[34] Insbesondere einer der Filter kann auch ein digitaler Filter sein, sodass die Gesamtanordnung auch in digitaler Form umgesetzt werden kann. Diesbezüglich ist es dann dementsprechend von Vorteil, wenn auch die anderen Baugruppen der Analyseeinrichtung, wie die Integrierer, Verstärker, Multiplizierer oder Addierer entsprechend digital ausgestaltet sind. [35] Das entsprechende Verfahren bzw. die Vorrichtung eignet sich insbesondere für ein Biofeedback, indem in Echtzeit eine Messung und Auswertung vorgenommen und das Ergebnis der Auswertung in Echtzeit angezeigt wird. Eine entsprechende Anzeige kann beispielsweise durch„Gut" oder„Schlecht" aber auch durch eine feinere Auflösung vorgenommen werden. [34] In particular, one of the filters can also be a digital filter, so that the overall arrangement can also be implemented in digital form. In this regard, it is accordingly advantageous if the other components of the analysis device, such as the integrators, amplifiers, multipliers or adders, are also configured correspondingly digital. [35] The corresponding method or the device is particularly suitable for biofeedback by taking a measurement and evaluation in real time and displaying the result of the evaluation in real time. A corresponding display can be made for example by "good" or "bad" but also by a finer resolution.
[36] Es versteht sich, dass die Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um die Vorteile entsprechend kumuliert umsetzen zu können. [36] It is understood that the features of the solutions described above or in the claims can optionally also be combined in order to be able to implement the advantages in a cumulative manner.
[37] Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert, die insbesondere auch in anliegender Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen: [37] Further advantages, objects and characteristics of the present invention will be explained with reference to the following description of exemplary embodiments, which are also illustrated in particular in the appended drawing. In the drawing show:
Figur 1 ein Beispiel einer respiratorischen Sinusarrhythmie mit den einzelnen aufgezeichneten Daten (a) und der hieraus folgenden Spektralanalyse (b); 1 shows an example of a respiratory sinus arrhythmia with the individual recorded data (a) and the resulting spectral analysis (b);
Figur 2 eine zehn minütige Aufzeichnung der Herzfrequenzkurve (a) und der zugehörigen Spektralanalyse (b); FIG. 2 shows a ten-minute recording of the heart rate curve (a) and the associated spectral analysis (b);
Figur 3 eine beispielhafte Herzratenvariabilität nur unter Berücksichtigung der FIG. 3 shows an exemplary heart rate variability only with consideration of
Atemfrequenz; Respiratory rate;
Figur 4 eine beispielhafte Herzratenvariabilität unter Berücksichtigung weiterer FIG. 4 shows an exemplary heart rate variability taking into account further
Genesen (a), unter Ansatz eines auf die Atemfrequenz abgestimmten Filters (b) sowie die restlichen Anteile (c); und Recreate (a) using a filter (b) matched to the respiratory rate and the remaining parts (c); and
Figur 5 eine beispielhafter Aufbau der Filter und Analyseeinrichtung. Figure 5 shows an exemplary construction of the filter and analysis device.
[38] Entsprechend der Anordnung nach Figur 5 wird eine Herzfrequenzkurve (Figur la) über einen Eingang 1 zunächst über drei Filter 11, 12, 13 zum Einen Frequenzen unterhalb der respiratorischen Sinusarrhythmie über den Filter 11 , welcher sehr niedrige Frequenzen (very low frequencies VLF) filtert, sowie oberhalb der respiratorischen Sinusarrhythmie über den Filter 13, welcher hohe Frequenzen (high frequencies HF) filtert, von dem Frequenzband der respiratorischen Sinusarrhythmie zwischen 0,06 Herz und 0,166 Herz (low frequencies LF), die über den Filter 12 in einen dritten Zweig herausgefiltert werden, getrennt. According to the arrangement according to FIG. 5, a heart rate curve (FIG. 1 a) via an input 1 via three filters 11, 12, 13 on the one hand frequencies below the respiratory sinus arrhythmia via the filter 11, which very low frequencies (very low frequencies VLF ) as well as above the respiratory sinus arrhythmia via the filter 13, which filters high frequencies (high frequencies HF), from the frequency band of respiratory sinus arrhythmia between 0.06 heart and 0.166 heart (low frequencies LF) passing through the filter 12 into one third branch to be filtered out, separated.
[39] Über Integratoren 21, 22, 23 werden die Flächen unter den entsprechenden Schwankungen, wie diese beispielhaft in Figuren 4b und 4c dargestellt sind, jeweils integriert und anschließend über geeignete Verstärker 31, 32, 33 gewichtet. Bei vorliegendem Ausführungsbeispiel sind die Verstärker 31 , 33 vermindernde Verstärker mit einem Faktor unter Eins, während der Verstärker 32, welcher die respiratorische Sinusarrhythmie verstärkt, einen über Eins liegenden Faktor auf die integrierten Werte setzt. [39] Integrators 21, 22, 23 are used to integrate the areas under the respective variations, as shown by way of example in FIGS. 4b and 4c and then weighted via suitable amplifiers 31, 32, 33. In the present embodiment, the amplifiers 31, 33 are attenuating amplifiers with a factor below one, while the amplifier 32, which amplifies the respiratory sinus arrhythmia, sets an over unity factor to the integrated values.
[40] Im Anschluss hieran werden die über die Verstärker 31 , 33 entsprechend verminderten Werte in einem Addierer 41 aufaddiert. Gegebenenfalls können noch weitere Addierer vorgesehen sein, insbesondere wenn auch im Bereich der respiratorischen Sinusarrhythmie mehrere Filter vorgesehen sind, die deren Ausgänge gegebenenfalls separat integriert und mit unterschiedlichen Faktoren gewichtet werden. Hiernach werden die aufsummierten Werte aus dem Addierer 41, bzw. die verstärkten Werte aus dem Verstärker 32 einer exponentiellen Wichtung in den Multiplikatoren 51 , 52 zugeführt, um diese anschließend in einem Divisor 61 entsprechend der vorstehend genannten Formel zu dividieren. Hieraus folgt dann ein entsprechendes Ausgangssignal an einem Ausgang 2, welches ein Maß für die respiratorische Sinusarrhythmie darstellt. [40] Following this, the values correspondingly reduced via the amplifiers 31, 33 are added up in an adder 41. Optionally, further adders may be provided, in particular if a plurality of filters are also provided in the area of the respiratory sinus arrhythmia, the outputs of which are optionally integrated separately and weighted with different factors. After that, the accumulated values from the adder 41, or the amplified values from the amplifier 32, are supplied to an exponential weighting in the multipliers 51, 52, in order subsequently to divide them in a divisor 61 according to the above-mentioned formula. From this follows then a corresponding output signal at an output 2, which represents a measure of the respiratory sinus arrhythmia.
[41] Wie unmittelbar nachvollziehbar, sind sämtliche der vorstehenden genannten Operatoren durch einfache herkömmliche elektronische Bauteile aber auch durch entsprechende Software ohne weiteres umsetzbar. Letzteres ist insbesondere dann eine vorteilhafte Umsetzung vorliegender Erfindung, wenn die entsprechend gemessenen Werte digital vorliegen und aus den digitalen Daten eine entsprechende digitale Herzfrequenzkurve ermittelt wurde. Die lineare Anordnung bedingt unmittelbar, dass schnell und mit wenig Rechnung Aufwand Ergebnisse erzielt werden können. [41] As can readily be understood, all of the aforementioned operators are easily implemented by simple conventional electronic components but also by appropriate software. The latter is in particular an advantageous implementation of the present invention if the correspondingly measured values are available digitally and a corresponding digital heart rate curve has been determined from the digital data. The linear arrangement requires immediate results that can be achieved quickly and with little effort.
Bezugszeichenliste: LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Eingang 10 31 Verstärker 1 input 10 31 amplifiers
2 Ausgang 32 Verstärker2 output 32 amplifiers
11 VLF-Filter 33 Verstärker 12 LF-Filter 41 Addierer11 VLF filter 33 Amplifier 12 LF filter 41 Adder
13 HF-Filter 51 Multiplikator13 RF filter 51 multiplier
21 Integrator 15 52 Multiplikator21 Integrator 15 52 Multiplier
22 Integrator 61 Divisor22 Integrator 61 Divisor
23 Integrator 23 integrator
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