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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Dysfunktion eines technischen oder lebenden Systems. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Computerprogramm und eine Vorrichtung hierzu.
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Das Messen von zeitlichen Signalverläufen systemspezifischer Messwerte technischer oder lebender Systeme, wie z. B. Vitalwerte eines lebenden Organismus sowie die darauf gerichtete Analyse ist an und für sich aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Klassische Vitalwerte des menschlichen, aber auch des tierischen Organismus sind dabei die Herzfrequenz, der Blutdruck sowie die Atemfrequenz. Durch Messen und Analysieren dieser klassischen, grundlegenden Vitalwerte lassen sich oft bestimmte, pathologische Zustände des Organismus ableiten, die mitunter lebensbedrohlich sein können. Weist beispielsweise der Organismus ein niedrigen Blutdruck in Verbindung mit einer stark erhöhten Herzfrequenz auf, so lässt dies auf einen Schockzustand schließen, der unbehandelt lebensbedrohlich sein kann. Diese klassischen Vitalwerte liefern somit ein erstes Bild darüber, ob sich der Organismus in einen physiologischen oder pathologischen und somit unerwünschten Zustand befindet.
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Mittels geeigneter Hilfsmittel lassen sich darüber hinaus weitere Messwerte entnehmen, die direkt oder indirekt von den oben genannten Messwerten bzw. Vitalwerten und deren Entstehung abgeleitet werden können. So ist es in der medizinischen Welt hinreichend bekannt, dass mit Hilfe eines Elektrokardiogramms die elektrische Aktivität des Herzmuskels aufgezeichnet werden kann, um aus dem Signalverlauf in bis zu 12 Kanälen Veränderungen feststellen zu können, die auf einen pathologischen Zustand hinweisen.
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Aufgrund der Tatsache, dass bei einem Elektrokardiogramm jedoch nur der momentane Ist-Zustand anhand des Signalverlaufes mittels charakteristischer Ausprägungen des Signals feststellbar ist, ist eine zeitlich weit vorgelagerte Früherkennung mit den bisher bekannten klinischen, Labor- und medizintechnischen Methoden de facto nicht möglich, da all diese Methoden und Verfahren erst dann ein Anzeichen liefern, wenn die Krankheitsprozesse sich bereits ausgebildet haben und zu Veränderungen in der Funktion und der materiellen Struktur geführt haben, das heißt die Krankheit also bereits besteht. Ähnliches gilt auch für technische Systeme, bei denen eine Dysfunktion erst dann erkennbar wird, wenn das Fehlverhalten des technischen Systems mit den herkömmlichen Methoden erkenn- und messbar wird.
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Aufgabe
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, mit dem sich anbahnende Dysfunktionen von technischen oder lebenden Systemen so früh wie möglich erkennen lassen.
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Lösung
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Verfahrensmerkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird auch mit einem Computerprogramm gemäß Anspruch 6 sowie den Vorrichtungsmerkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Es wird somit vorgeschlagen, dass aus einem zeitlichen Signalverlauf von systemspezifischen Messwerten des technischen oder lebenden Systems ein oder mehrere Verteilungsverhältnisse hinsichtlich der in dem Signalverlauf enthaltenen Frequenzen, Phasen und/oder Amplituden ermittelt wird und diese Verteilungsverhältnisse dann mit einem harmonikal vordefinierten Verleilungsverhältnis verglichen werden. Anhand dieses Vergleiches lassen sich dann Abweichungen feststellen, wobei die Abweichungen von dem harmonikal vordefinierten Verteilungsverhältnis einen Hinweis auf eine Dysfunktion oder eine möglicherweise bevorstehende Dysfunktion geben.
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Unter einem lebenden System wird insbesondere ein menschlicher oder tierischer Organismus verstanden, wobei die systemspezifischen Messwerte dann insbesondere die Herz-Aktionspotentiale sind. Systemspezifische Messwerte können bei technischen Systemen bspw. Eigenschwingungen bzw. Resonanzen sein, die durch den Betrieb des technischen Systems hervorgerufen werden.
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So ist es beispielsweise aus der „Global-Scaling Theorie” bekannt, dass aufgrund der Eigenschwingung der Elementarteilchen eine harmonische Ordnung abgeleitet werden kann. Dabei wurde nun festgestellt, dass, wenn die harmonische Ordnung gestört ist, dies Frühzeichen für eine Dysfunktion von technischen oder lebenden Systemen darstellen. Darüber hinaus wurde insbesondere festgestellt, dass ein analoger, zeitlicher Signalverlauf von Herz-Aktionspotentialen bei einem gesunden, lebenden Organismus hinsichtlich der in dem Signalverlauf enthaltenen Frequenzen, Phasen und/oder Amplituden ein bestimmtes, harmonisches Verteilungsverhältnis aufweist, während bei einem Organismus mit Dysfunktion oder einem Organismus im nicht physiologischen und beginnenden pathologischen Zustand die Verteilung der Frequenzen, Phasen und/oder Amplituden in dem zeitlichen Signalverlauf von dem harmonischen bzw. harmonikalen Verteilungsverhältnis abweicht.
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Erfindungsgemäß wird somit beispielsweise aus dem analogen, zeitlichen Signalverlauf von Herz-Aktionspotentialen eines lebenden Organismus ein Verteilungsverhältnis hinsichtlich der in dem Signalverlauf enthaltenen Frequenzen, Phasen und/oder Amplituden ermittelt und dieses so ermittelte Verteilungsverhältnis dann mit einem harmonikal vordefinierten Verteilungsverhältnis verglichen, wobei eine Abweichung von diesem Verteilungsverhältnis dann auf eine Dysfunktion oder bevorstehende potentielle Dysfunktion hinweist.
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Vorteilhafterweise wird das Verteilungsverhältnis durch Analyse eines zuvor aus dem zeitlichen Signalverlauf ermittelten Frequenzspektrums ermittelt. Durch die Ermittlung des Frequenzspektrums lässt sich der zeitliche Signalverlauf hinsichtlich Frequenz, Phase und/oder Amplitude entsprechend analysieren, wobei aus dem Frequenzspektrum für eine oder mehrere Frequenzen, Phasen und/oder Amplituden Verteilungsverhältnisse innerhalb des gesamten Frequenzspektrums und somit des zeitlichen Signalverlaufs ermitteln lassen.
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Um den zeitlichen Signalverlauf entsprechend analysieren zu können, ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn der analog, zeitliche Signalverlauf mittels eines Analog-Digital-Wandlers in ein digitales Signal umgeformt wird, was dann der weiteren Berechnung, insbesondere der Ermittlung des Verteilungsverhältnisses, zugrunde gelegt wird. Um dabei ein möglichst feines Signal zu erhalten, erfolgt die Analog-Digital-Wandlung unter Verwendung einer Abtastfrequenz von bis zu 25 kHz, was auch die Erfassung von sehr hohen Frequenzen und auch kleinen Amplituden sicherstellt. Somit kann die Analyse wesentlich fein strukturierter erfolgen, so dass auch Frequenzen und Amplituden erfasst werden, die in einem normalen Elektrokardiogramm nicht erfasst werden.
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Die Analog-Digital-Wandlung kann dabei beispielsweise nach Maßgabe des Shannonschen Abtasttheorems erfolgen, um die interessierenden Information voll enthaltenes Signal zu erhalten. Durch eine entsprechend ausgelegte Mess-Empfindlichkeit des Erfassungssystems mit hohem Eingangswiderstand im Vergleich zur Quelle werden die Messsignale stabil erfasst.
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Um die Signalqualität, insbesondere bei Zugrundelegung einer hohen Abtastfrequenz und ungünstigen Signal-Rausch-Verhältnis, zu verbessern, wird vorteilhafterweise der Signal-Rausch-Abstand des zeitlichen Signalverlaufes verbessert, insbesondere mittels Durchführung einer Autokorrelation oder Kreuzkorrelation des zeitlichen Signalverlaufes.
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Besonders vorteilhaft ist es nun, wenn das mindestens eine harmonikal vordefinierte Verteilungsverhältnis hinsichtlich der Frequenz, Phase und/oder Amplitude einem im zugehörigen Fraktal der Global-Scaling-Theorie definierten Verhältnis entspricht, da dieses Verhältnis der harmonischen Grundordnung der Elementarteilchen entspricht, so dass Verteilungsverhältnisse von zeitlichen Signalverläufen, die nicht diesem harmonikal vordefinierten Verteilungsverhältnis entsprechen, ein Hinweis auf eine Dysfunktion des zugrunde gelegten Systems darstellen. Eine Abweichung von diesem harmonikal vordefinierten Verteilungsverhältnis entspräche somit einer Abweichung von der harmonischen Grundordnung der Elementarteilchen, was einen Hinweis auf eine Dysfunktion bzw. eine bevorstehende Dysfunktion liefert.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das ermittelte Verteilungsverhältnis sich in die natürliche, scalierte fraktale Ordnung der Global-Scaling-Theorie so einfügt, dass es die Bereiche belegt, in denen eine hohe Stabilität bzw. Attraktion zu einem stabilen Zustand vorliegt. Eine Abweichung von diesem Verteilungsverhältnis ist dabei ein Hinweis auf eine entstehende oder bereits vorliegende Dysfunktion des betreffenden, zu untersuchenden Systems, auch wenn diese mit den herkömmlichen Messmethoden und -verfahren noch nicht erkenn- und ermittelbar ist.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit einem Computerprogramm gemäß Anspruch 6 sowie einer Vorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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So ist es besonders vorteilhaft, wenn die ermittelten Spektral-Frequenz-Verteilungsverhältnisse mit Referenzspektren verglichen werden und hinsichtlich ihrer Übereinstimmungen bzw. Abweichungen bewertet und interpretiert werden können, derart, dass Abweichungen oder Übereinstimmungen auf eine Dysfunktion des technischen oder lebenden Systems hinweisen.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
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1 – schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Beispiel der Erfassung und Verarbeitung von zeitlichen Signalverläufen von Herz-Aktionspotentialen.
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1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 am Beispiel der Herz-Aktionspotentiale eines menschlichen Organismus 4. Die Vorrichtung 1 weist dabei einen Eingang 2 auf, an dem zwei Elektroden 3a, 3b angeschlossen sind. Die beiden Elektroden 3a, 3b sind dabei an einem menschlichen Organismus 4 derart angeordnet, dass sie die Herz-Aktionspotentiale, die bei der Herzmuskelkontraktion entstehen und als Spannungsverlauf bzw. Signalverlauf an der Hautoberfläche des Organismus 4 abgeleitet werden können.
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Die Signalableitung erfolgt somit nicht invasiv, sondern von der Körperoberfläche aus. Zur besseren Ankopplung ist eine Elektrolytbrücke mit isotoner und/oder isoionischer Elektrolytlösung denkbar. Der Kontakt zwischen Metallelektrode und Ableitkabel muss potentialfrei, feuchtigkeitsgeschützt, elektrisch und mechanisch stabil ausgeführt werden. Insgesamt ist es wünschenswert, wenn ein niedriger konstant-stabiler Übergangswiderstand zwischen den Elektroden 3a, 3b und der Körperoberfläche besteht, so dass eine derartige Anordnung auch bei Bewegung realisiert werden kann.
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An dem Eingang 2 der Vorrichtung 1 ist vorrichtungsintern ein mikroelektronischer Eingangs- und Anpassungsverstärker 5 geschaltet, der das analoge Signal, welches an dem Eingang 2 anliegt, abgreift. Die mit Hilfe der Elektroden 3a, 3b abgeleiteten Herz-Aktionspotentiale werden dann mit dem mikroelektronischen Eingangs- und Anpassungsverstärker 5 mit sehr hohem Eingangswiderstand und großer Bandbreite zugeleitet. Hier ist eine Linearverstärkung im Frequenzbereich von 0,5 Hz bis 25 kHz bei einer Empfindlichkeit von 0,1 bis 5 mV Eingangsspannung vorteilhaft.
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Der so kontinuierlich erfasste und von dem mikroelektronischen Eingangs- und Anpassungsverstärker 5 vorverarbeitete zeitliche Signalverlauf wird kontinuierlich einem Analog-Digital-Wandler 6 in der Vorrichtung 1 zugeführt. Die Analog-Digital-Umsetzung im A/D-Wandler 6 erfolgt mit einer sehr hohen Abtastfrequenz, die in einem Bereich von bis zum 25 kHz liegen kann. Damit wird es möglich, dass auch hohe Frequenzen und feine Amplitudenverläufe aus dem zeitlichen Signalverlauf abgeleitet werden können. Die so erfolgte digitale Umsetzung des analogen zeitlichen Signalverlaufes wird dann als ein digitales Signal bzw. Signalbild in einem mit dem Analog-/Digital-Wandler 6 verbundenen Datenspeicher 7 abgelegt bzw. zwischengespeichert. Die Messwerte, die dabei vom Analog-Digital-Wandler 6 stammen, können dabei zu bestimmten Patienten-Stammdaten zugeordnet werden, so dass komplette Messprotokolle für jeden Patienten und mit unter auch für jede Versuchsreihe vorgehalten werden.
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Es ist aber auch denkbar, dass die von der Funktionseinheit 6 gelieferten digitalen Zeitmessreihen direkt, drahtgebunden oder auch drahtlos an die Verarbeitungseinheit 8 zugeführt werden, wenn bspw. die gesamte Erfassung und Verarbeitung der Daten nicht in einem einzigen Gerät erfolgen soll. So kann die Verarbeitungseinheit 8 bspw. Bestandteil eines Laptop oder PC sein. Im Falle einer drahtlosen Übertragung ist an den entsprechenden Baugruppen jeweils eine Sende- und Empfangseinheit vorzusehen (nicht dargestellt).
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Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der mikroelektronische Eingangs- und Anpassungsverstärker 5, der Analog-Digital-Wandler 6 sowie der Datenspeicher 7 zusammen mit der Recheneinheit 8 und einem weiteren Datenspeicher 9, die später noch erläutert werden, zusammen in einem Gerät 1 angeordnet. Denkbar ist allerdings auch, dass der Verstärker 5, Analog-Digital-Wandler 6 sowie Datenspeicher 7 zum Hinterlegen der Messdaten außerhalb eines entsprechenden Analysegerätes, beispielsweise in einem separaten Gerät oder Computer, angeordnet sind. Die im Datenspeicher 7 hinterlegten Daten der Messreihen können dann beispielsweise über Netzwerke oder USB-Schnittstellen an eine entsprechende Rechenvorrichtung übertragen werden. Die Anordnung der erläuterten Komponenten in einer Vorrichtung 1 stellt somit keine Beschränkung dar.
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Die in dem Datenspeicher 7 hinterlegten Messdaten der Herz-Aktionspotentiale werden nun einer Recheneinheit 8 zugeführt, um die entsprechende erfindungsgemäße Analyse durchzuführen. Dazu wird zunächst der Signal-Rausch-Abstand des in dem Datenspeicher 7 hinterlegten Signal oder Signalverlaufes verbessert, beispielsweise durch mathematisch-statistische Verfahren wie die Autokorrelation, Kreuzkorrelation und dergleichen. Anschließend wird aus dem so verbesserten Signal eine Frequenzanalyse durchgeführt, so dass sich ein Frequenzspektrum ermitteln lässt, beispielsweise durch die bekannte Fourier-Transformation.
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Anschließend wird mit Hilfe der Recheneinheit 8 aus dem vorher ermittelten Frequenzspektrum eine oder mehrere Verteilungsverhältnisse hinsichtlich der Frequenzen, Phasen und/oder Amplituden des zeitlichen Signalverlaufes der Herz-Aktionspotentiale ermittelt. So lassen sich gezielt für bestimmte, markante Frequenzen die Amplituden- und Phasenlage, bspw. durch Kreuzkorrelation mit einer Referenzschwingung, ableiten, wobei diese daraus resultierenden Verteilungsverhältnisse dann mit einem vordefinierten und harmonikalen Verteilungsverhältnis, bspw. der globalen fraktalen Verteilungsordnung der Gobal-Scaling-Theorie verglichen werden. Dieses vordefinierte und harmonikale Verteilungsverhältnis ist beispielsweise in einem Datenspeicher 9 der Vorrichtung 1 hinterlegt und wird zur Berechnung der Recheneinheit 8 zugeführt.
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Entsprechen die ermittelten Verteilungsverhältnisse dabei dem vordefinierten harmonikalen Verteilungsverhältnis, beispielsweise einem im zugehörigen Fraktal der Global-Scaling-Theorie definierten Verhältnisse, so ist dies ein Hinweis darauf, dass der Organismus oder auch ein technisches System keine Dysfunktion aufweist. Weicht jedoch das ermittelte Verteilungsverhältnis mehr oder weniger stark von dem harmonikalen Verteilungsverhältnis ab, so ist dies ein Hinweis auf eine Dysfunktion bzw. bevorstehende Dysfunktion, wie beispielsweise ein drohender Herzinfarkt.
