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Die
vorliegende Erfindung betrifft Herzschrittmacher und andere medizinische
Vorrichtungen, insbesondere Herzschrittmacher mit Mitteln zur Filterung
abgetasteter Signale und insbesondere Filterung abgetasteter Herzsignale.
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Bei
der Anwendung medizinischer Vorrichtungen wie Herzschrittmachern
besteht oft ein großes
Bedürfnis
zur präzisen
Erkennung abgetasteter Signale und insbesondere ein Bedürfnis zum
Unterscheiden bzw. Separieren bestimmter Abschnitte von abgetasteten
Signalen. Zum Beispiel erfühlen
Zweikammer-Herzschrittmacher spontane P-Wellen vom Atrium des Patienten
zum Zweck des Bestimmens, ob das Atrium stimuliert werden soll oder
nicht und/oder zur zeitlichen Überwachung
eines synchronen ventrikulären
Schrittmacherimpulses. Bei vielen solchen Anwendungen ist das Ausfiltern
auf der Basis der Frequenz unzureichend, weil die Frequenzen in
akzeptablen Signalabschnitten und abzuweisenden Signalabschnitten überlappen.
Insbesondere bei einem Herzschrittmacher, der das atriale Elektrogramm
(AEGM) abtastet, ist es schwierig, die Fernfeld-R-Welle (FFR-Welle)
vom Soll-P-Wellenabschnitt des Signals zu separieren aufgrund des Überlappens
von Frequenzen in den zwei unterschiedlichen Signalabschnitten.
Bei der Verarbeitung von Sensorsignalen oder anderen abgetasteten
physiologischen Signalen kann der Einsatz von Frequenzreaktionsfiltern,
auch von schaltbaren Frequenzreaktionsfiltern, bei bestimmten Signalen
und Rhythmen dieses Problem häufig
nicht lösen.
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Viele
verschiedene Lösungsmöglichkeiten für dieses
Problem wurden bereits vorgeschlagen. Zum Beispiel für die Aufgabe
des Aussonderns der FFR-Welle vom atrialen Signal sind verschiedene Methoden
umgesetzt worden wie beispielsweise Empfindlichkeitseinstellung, "Fenster"-Verfolgung zum Detektieren
etwa zum Zeitpunkt des erwarteten Signals etc. Zusätzlich zu
linearen Hochpassfiltern verwenden andere Ansätze zur Problemlösung adaptive
finite Impulsübergangsfilter
(AFIR) und den Einsatz des versteckten Markovmodells. Jedoch haben
diese Ansätze
zu keiner bedeutsamen Akzeptanz auf dem Gebiet der Herzschrittmacher
geführt. Die
bestmögliche
Lösung
ist und bleibt ein verbesserter Filter, der den Soll-Wellenabschnitt von
einem Stör-Abschnitt
oder Abschnitten wirksam unterscheidet.
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Somit
besteht kontinuierlich ein wesentliches Problem, insbesondere für implantierbare
Schrittmacher, betreffend die Bereitstellung einer wirksamen und
eindeutigen Erkennung verschiedener Wellenabschnitte eines abgetasteten
Herzsignals, z. B. QRS-, T- and P-Wellenabschnitte; und auch ein
Bedarf, die Filterungsfähigkeit
an verschiedene Frequenzen anzupassen, um die Soll-Signalabschnitte während spezifischer
Arrhythmien zu erkennen, wie ventrikuläre Fibrillation (VF), ventrikuläre Tachykardie
(VT), Sinustachykardie (ST) und supraventrikuläre Tachykardie (SVT). Außerdem besteht
wegen begrenzter Energie in implantierbaren Vorrichtungen die Notwendigkeit,
die erforderliche Verbesserung zu erreichen und gleichzeitig die
Größe der Vorrichtung und
den Umfang der betreffenden Verarbeitung zu minimieren.
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In
einem Artikel von Chee-Hung Henry Chu et al. in IEEE Transactions
on biomedical engineering, Bd. 36, Nr. 2, 1989, Seite 262 bis 273,
werden impulsive Rauschunterdrückung
und Hintergrundnormalisierung digitalisierter EKG-Signale vorgestellt unter
Verwendung morphologischer Operatoren, die die Verlaufsinformation
eines Signals mit umfassen.
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Die
Ansätze
der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Erkenntnis, dass sogar
bei überlappenden
Frequenzspektren verschiedener Wellenabschnitte die Verläufe der entsprechenden
Wellenabschnitte deutlich ausgeprägt sind. Damit besitzt zwar die
Fernfeld-R- (FFR) Welle großenteils
dieselben spektralen Elemente wie QRS, ist aber relativ langgestreckt
bzw. breiter in der Form wegen der Ausbreitung des Signals vom Ventrikel
in die atriale Herzkammer, wo sie durch atriale Elektroden abgetastet wird.
Damit wird die Verwendung von morphologischen Filterungsmethoden
bei der Filterung und Erfassung der P-Welle und der Ausfilterung der FFR-Welle
nahegelegt. Morphologische Filter werden bereits allgemein bei der
Bildverarbeitung verwendet, aber bei der Signalverarbeitung sind
sie relativ neu. Die vorliegende Erfindung beruht auf einer Anpassung
morphologischer Filterung an Echtzeit-Signalverarbeitung analoger Signale
zum Einsatz in Schrittmachern.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue Filterungsmethoden
bereitzustellen zum Einsatz in Vorrichtungen wie z. B. Herzschrittmachern,
und insbesondere der Einsatz von Filtern des morphologischen Typs
zur zuverlässigen
Unterscheidung von Soll-Wellenabschnitten und Abweisung von Stör-Wellenabschnitten.
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Die
Erfindung wird durch die beigefügten
Patentansprüche
definiert.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Herzschrittmacher bereitgestellt,
der gemessene P-Wellen für
die Steuerung des Pacing-Vorgangs nutzt, mit zyklisch arbeitender
Abtasteinrichtung für
die P-Wellen, wobei die P-Wellen-Abtasteinrichtung umfasst:
eine
Signaleinrichtung zum Ableiten eines atrialen Signals vom Atrium
des Patienten;
eine Abtasteinrichtung zum Bereitstellen eines
abgetasteten atrialen Signals;
eine morphologische Filtereinrichtung
zum Ausfiltern des P-Wellenabschnitts
vom abgetasteten atrialen Signal, um ein Restsignal ohne P-Wellenabschnitt
zu erhalten; und
Subtraktionsmittel zum Subtrahieren des Restsignals vom
abgetasteten Signal, um ein P-Wellensignal ohne wesentlichen FFR-Wellenabschnitt
zu erhalten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform hat
der morphologische Filter eine M-Breite von wenigstens etwa der
Dauer der Spitze dieser P-Wellenimpulse.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
hat der Schrittmacher eine Abtasteinrichtung zum Abtasten der atrialen
und ventrikulären
Herzsignale vom Herzen des Patienten, und eine Steuereinrichtung zum
Steuern des Impulsgebers als Funktion der abgetasteten Signale,
wobei die Abtasteinrichtung umfasst:
eine atriale Abtasteinrichtung
zum Ableiten eines P-Wellenabschnitts
jeder atrialen Welle, wenn eine P-Welle auftritt, wobei die atriale
Abtasteinrichtung weiter umfasst eine erste morphologische Filterschaltung
zum Einfangen eines Spitzenabschnitts jeder P-Welle;
eine ventrikuläre Abtasteinrichtung
zum Abtasten wenigstens eines gewählten Abschnitts des ventrikulären Signals,
wobei die ventrikuläre
Abtasteinrichtung, eine zweite morphologische Filterschaltung zum
Separieren eines Spitzenabschnitts des ausgewählten Abschnitts bei jedem
Auftreten umfasst; und
eine Schabloneneinrichtung zum Steuern
jedes ersten bzw. zweiten morphologischen Filters.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist eine Elektrode in einer atrialen Kammer des Patienten angeordnet,
um atriale Signale abzuleiten, ein erster morphologischer Filter
zum Identifizieren der FFR-Wellenabschnitte dieser Signale und ein
zweiter morphologischer Filter zum Identifizieren von P-Wellenabschnitten
dieser atrialen Signale.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird eine Vielzahl von morphologischen Filtern bereitgestellt, wobei
jeder Filter zum Empfang der atrialen Signale angeschlossen ist
und eine Schablone aufweist, die ein entsprechendes Merkmal dieser
Herzsignale unterscheiden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird morphologische Filterung eingesetzt,
um anhand des abgetasteten atrialen Signals bzw. AEGM zu arbeiten,
so dass zuverlässig
P-Wellen erfasst und FFR-Wellenabschnitte abgewiesen
werden, Für
diese Anwendung stellt die Erfindung eine deutlich separierte P-Welle
bereit, deren Grundlinie im Wesentlichen null ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Schrittmachers der vorliegenden Erfindung wird das erfasste
atriale Signal des Patienten abgetastet, um das Abtastsignal zu
erhalten. Das Abtastsignal wird durch einen morphologischen Filter
geleitet, und zwar entweder eine analoge oder digitale Ausführung. Der
morphologische Filter arbeitet anhand des Signals durch Analysieren
aufeinanderfolgender Sätze
von Abtastwerten, die zur Annäherung
der Breite der P-Welle ausgewählt
werden, so dass sie dadurch die P-Welle ausfiltern, aber solche
Signalabschnitte zurückbehalten,
die morphologisch nicht passen wie z. B. die FFR-Welle. Das Signal,
das auf diese Weise morphologisch gefiltert wurde, um die P-Wellenspitze zu
unterdrücken,
wird dann vom Abtastsignal subtrahiert, wodurch der morphologisch
ausgefilterte P-Wellenabschnitt zurückbleibt, und damit wird die breitere
FFR-Welle abgewiesen. Der morphologische Filter kann zwar als analoge,
digitale, optische oder hybride Ausführungsform gestaltet sein,
jedoch wird vorliegend wegen des geringeren Energiebedarfs für die Umgebung
des Schrittmachers analog bevorzugt. Der Filter ist so eingestellt,
dass er etwa 5 bis 10 Abtastungen gleichzeitig verarbeitet mit einer Abtastfrequenz
von etwa 1 kHz, für
optimale Erfassung der P-Wellen. Der Filter ist bevorzugt ein Öffnen-Schließen Typ,
um die P-Wellenspitzen optimal zu verarbeiten, er kann jedoch auch
nur den Arbeitsschritt Öffnen
umfassen. Die Schablone, die einstellbar und/oder programmierbar
ist, wird entsprechend für
beide Vorgänge
eingesetzt, Öffnen
und Schließen,
und kann für
die Mehrzahl der Addier- und Subtrahiervorgänge Nullen benutzen, um die
Schaltung einfach zu gestalten.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann eine Vielzahl von Wellenabschnitten ankommender Signale, z.
B. P-Wellen und T-Wellen
in einem Schrittmacher, mit derselben Schablonengestaltung morphologisch
verarbeitet werden. Somit sind FFA-Wellen, T-Wellen, QRS-Wellen
and P-Wellen morphologisch identifizierbar; und verschiedene Arten
von Tachykardien sind unterscheidbar. Außerdem ist die Abtastfrequenz
entsprechend als Funktion der detektierten R-R Frequenz eingestellt,
um die morphologische Filterung von Signalen zu optimieren, deren Frequenz
stark variiert, wodurch ein verbessertes Verfolgen von Arrhythmien
wie z. B. ventrikulärer
Tachykardie (VT) und ventrikulärer
Fibrillation (VF) ermöglicht
wird.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen lediglich
beispielhaft beschrieben.
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1A ist
ein Blockdiagramm, das die Hauptkomponenten eines implantierbaren
Herzschrittmachers gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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1B ist
eine Darstellung einer atrialen Zuleitung mit einer atrialen Elektrode,
die im rechten Atrium des Patienten angeordnet sind, zum Abtasten des
AEGM, das gemäß dem Prinzip
der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden soll.
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2 ist
eine Diagrammdarstellung eines AEGM, das nicht nur einen P-Wellenabschnitt,
sondern auch einen ausgeprägten
FFA-Wellenabschnitt hat.
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3A ist
eine schematische Darstellung eines morphologischen Dilationsvorgangs;
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3B ist
eine schematische Darstellung eines morphologischen Erosionsvorgangs;
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3C zeigt
einen Schließen-Vorgang,
umfassend einen Dilationsvorgang und anschließend einen Erosionsvorgang;
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3D zeigt
einen Öffnen-Vorgang,
umfassend einen Erosionsvorgang und anschließend einen Dilationsvorgang;
und
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3E zeigt
einen Öffnen-Schließen-Vorgang,
umfassend einen Öffnen-Vorgang
und anschließend
einen Schließen-Vorgang.
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4A zeigt
die Wirkung eines Öffnen-Vorgangs
bei der Unterdrückung
von Spitzen unter Darstellung des Signals nach Erosion und auch
nach Dilation;
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4B zeigt
die Wirkung eines Schließen-Vorgangs
bei der Unterdrückung
von tiefen Zacken unter Darstellung des Signals nach Dilation und nach
Erosion;
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4C zeigt
ein Signal mit Spitzen und tiefen Zacken, die entweder nach einem Öffnen-Schließen-Vorgang
oder einem Schließen-Öffnen-Vorgang unterdrückt wurden.
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5 ist
ein Schaltungsdiagramm und zeigt die bevorzugte Anordnung der vorliegenden
Erfindung zum Bereitstellen von P-Wellenspitzen, während FFA-Wellenabschnitte
aus einem AEGM-Signal gefiltert werden.
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Die 6A, 6B und 6C sind
Kurvensätze
mit M = 3 bzw. 7 bzw. 15, die die Wirkung des gewählten Wertes
für M in
der Schaltung von 5 zeigen, um eine optimale P-Wellenspitze ohne FFR-Welle
bereitzustellen.
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7 ist
ein Blockschaltbild und zeigt die automatische Einstellung der Abtastfrequenz
zur Aufrechterhaltung optimaler Filterungsbedingungen als Funktion
von Herzfrequenzvariationen.
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8 ist
ein Blockschaltbild und stellt den Einsatz einer Vielzahl von morphologischen
Filtern dar zum Verarbeiten verschiedener Signalabschnitte.
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9 ist
ein vereinfachtes Flussdiagramm zur Darstellung des Prinzips der
vorliegenden Erfindung in einem Gerät zum Ausführen morphologischer Vorgänge auf
dem AEGM zum Bereitstellen von P-Wellen und zum Ausfiltern von FFR-Wellen.
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1A zeigt
ein vereinfachtes Blockdiagramm der Hauptkomponenten eines Herzschrittmachers,
wie er in dem System gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann. Der Vollständigkeit halber ist zwar ein
Zweikammer-Herzschrittmacher
dargestellt, die Erfindung ist jedoch so zu verstehen, dass sie
auf taktempfindliche Ein- oder Zweikammer-Schrittmacher anwendbar
ist. Ein ventrikulärer
Schrittgeber ist bei 15 dargestellt zum Erzeugen und Abgeben
ventrikulärer
Schrittmacherimpulse, gesteuert auf bekannte Weise durch die Steuerungseinheit 20.
Die ventrikulären
Schrittmacherimpulse werden an eine oder mehrere ventrikuläre Elektroden,
dargestellt bei 16, abgegeben. Ebenso ist ein atrialer
Stimuliergenerator bei 18 dargestellt, der atriale Stimulierimpulse
mittels des Steuerblocks 20 erzeugt und die atrialen Stimulierimpulse
an eine oder mehrere atriale Elektroden abgibt, wie bei 19 dargestellt. Abtastsignale
von der ventrikulären
Elektrode bzw. den Elektroden sind mit dem QRS Abtastverstärker 24 und
dem T-Wellen-Abtastverstärker 26 verbunden,
deren Ausgangsleistungen zur Verarbeitung in den Steuerblock 20 eingegeben
werden. Ebenso werden Signale, die im Atrium durch die Elektroden 19 erfasst
werden, an den P-Wellen Abtastverstärker 25 abgegeben,
dessen Ausgangsleistung bis zur Steuerung 20 durchgeschaltet
ist.
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Der
Steuerblock 20 umfasst dementsprechend einen Mikroprozessor
mit zugehöriger
Software, wobei die Software wie angedeutet im Speicher 21 abgelegt
wird. Der Speicher 21 kann RAM und ROM aufweisen, und die
Zuordnung von Schrittmacherfunktionen kann nach Wunsch beliebig
zwischen Hardware und Software aufgeteilt werden. Einer oder mehrere
Sensoren 26 können
bereitgestellt werden, um kontinuierlich Parameter zu erfassen,
die die Frequenz angeben, wobei die Parametersignale in den Steuerblock 20 eingegeben
werden, um in bekannter Weise die taktempfindliche Steuerung bereitzustellen.
Alternativ ist der taktempfindliche Parameter das QT-Intervall das
durch die Steuerung 20 bestimmt wird durch zeitliche Steuerung
der Dauer zwischen einem abgegebenen Stimulus (VP) und der nachfolgenden
T-Welle. Wie bei 27 dargestellt, hat der Schrittmacher
einen entsprechenden Sender/Empfänger
zum Empfang von Programmgeber-Kommunikation eines externen Programmgebers 30 und zum
Herunterladen gesammelter Daten zurück zu dem Programmgeber, auf
bekannte Art und Weise.
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In
der bevorzugten analogen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der (sind die) morphologische(n)
Filter Teil der Schaltung von Block 24–26, und zwar gesteuert
durch die Steuerschaltung 20. In einer digitalen Ausführungsform
werden die morphologischen Operationen durch den Mikroprozessor
in Block 20 ausgeführt.
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1B zeigt
eine Diagrammdarstellung der Herzkammern mit einer atrialen Zuleitung 17,
die in das rechte Atrium eingeführt
ist, so dass die atriale Elektrode 19 innerhalb des rechten
Atriums angeordnet ist. Das Signal, das der sinu-atriale Knoten
erzeugt, wird von der Elektrode (bzw. in einem bipolaren System
von den Elektroden) eingefangen zum Zweck des Bereitstellens von
P-Welleninformation. Wie bekannt ist, ist die P-Welle bei Zweikammer-Herzschrittmachern,
z. B. DDD oder VDD, äußerst wichtig,
da der Schrittmacher mittels der zeitlichen Steuerung der P-Welle abschalten
und einen synchronen ventrikulären
Schrittmacherimpuls abgeben kann. Die P-Welle wird auch in atrialen
Schrittmachern, z. B. in AAI- oder DDD-Schrittmachern eingesetzt, um zu bestimmen,
ob das Atrium stimuliert werden soll oder nicht.
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2 zeigt
ein typisches AEGM, das von einer atrialen Abtastleitung erfasst
wurde. Wie bekannt ist, wird der durch die SA-Knoten erzeugte Impuls durch
die atrialen Kammern depolarisiert und bewirkt, dass die Atriumsmuskeln
kontrahieren und Blut in die Ventrikel pumpen. Dieser Impuls wird
als P-Welle bezeichnet und ist in 2 durch
den mit P bezeichneten Komplex dargestellt. Die P-Welle wird durch
den AV-Knoten etwa 200 ms lang verzögert, wonach die Ausbreitung
der Welle den QRS-Komplex in den ventrikulären Kammern erzeugt. Der QRS-Komplex
bewirkt, dass die ventrikulären
Muskeln kontrahieren und das Blut von den Ventrikeln in die Arterien
pumpen. Die Größe des QRS-Komplexes
ist weit mehr als die der P-Welle, so dass die atriale Messelektrode
zwar so dicht wie möglich
bei dem AV-Knoten angeordnet ist, aber immer noch eine beträchtliche
R-Spitze vom Ventrikel in diesem Signal erscheint. Dieses Erscheinen
der R-Spitze wird als Fernfeld-R-Welle (FFR) bezeichnet und stellt bei
Abtastung im Atrium eine deutliche Störung dar. Wie oben angegeben,
ist jedoch die FFR-Welle lediglich beim Gebrauch von linearen Filtern
nur schwer von der P-Welle zu unterscheiden wegen der Ähnlichkeit
der Leistungsspektraldichte typischer P- bzw. FFR-Wellen.
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Die
in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendeten morphologischen
Filter bestehen aus einer Kombination morphologischer Operatoren. Morphologische
Operatoren verwenden separate Datensätze zur Umwandlung eines Satzes
von Eingangswerten in einen Satz von Ausgangswerten. Der Satz, der
Strukturkomponente (oder einfach "Schablone") genannt wird, definiert die stattfindende
Operation. In Verbindung mit den 3A und 3B ist zu
sehen, dass morphologische Filter relativ wenig komplex sind, weil
nur Verzögerungslinien,
Additionen, Subtraktionen sowie Maximum- und Minimumfunktionen verwendet
werden.
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Es
gibt zwei morphologische Operationen, nämlich Dilation und Erosion.
Diese Operationen treten zwar gemeinsam auf, werden aber separat
definiert. Die Dilation eines Signals X von Abtastwerten mit einer
Länge n
durch eine Schablone m mit einer Schablonenlänge M, die einen Ausgang erzeugen, wird
definiert als Ydn = D(Xn) = MAXi=0...M–1{Xn–i +
m1}M – 1 ≤ n ≤ N – 1
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Wie
zu erkennen ist, ist Dilation ein ausweitender Operator, d.h, die
Ausgangsleistung wird immer größer sein
als die entsprechende Eingangsleistung, wenn die Schablone mi für alle i
größer als
null ist. Der Ausdruck Xn – i
geht zeitlich zurück,
und sobald die ersten M – 1-Abtastwerte
durchgeleitet wurden, kann die Operation sofort eine Ausgangsleistung
ausgeben. Morphologische Filterung kann daher als Echtzeitanwendung
eingesetzt werden, allerdings ist anzumerken, dass der durch Dilation
erzeugte Satz Ausgangsleistung um M – 1 Abtastwerte kürzer als
der Datensatz ist, weil die ersten M – 1-Ausgangswerte nicht definiert
werden können.
In 3A ist das Eingangssignal als X gezeigt, das wie dargestellt
durch aufeinanderfolgende Verzögerungen 31, 32,
... 33 hindurchgeleitet wird. Wenn also die ersten Abtastwerte
M – 1
bis zu den Abtastpunkten 31–33 durchgetaktet
sind, werden die ersten M Abtastwerte wie angedeutet durch die Additionsoperationen
bearbeitet. Die Werte m0, m1, m2 ... mM – 1 werden von der Dilationsschablone
bereitgestellt, die bei 39 angegeben ist. In einem einfachen
Fall kann die Addition einfach +0 ergeben. Block 40 ist
eine Maximumschaltung, die den Eingang mit dem höchsten Wert auswählt und
diesen max-Wert als abgetasteten Ausgangswert bereitstellt. Daher
wird ein Maximumwert von Xn – i
+ mi für
jeden Wert n ausgegeben, der somit den Abtastsatz Yd ergibt. Es
ist zu erkennen, dass die Dilation einen Satz erzeugt, der um M – i Abtastwerte
kürzer
ist als der Datensatz, weil die ersten M – 1 Ausgangswerte nicht definierbar sind.
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Die
Erosion einer Funktion X (Länge
N) durch eine Schablone m mit einer Schablonenlänge M, (Ye), wird definiert
als: Yen = (Xn) = MINi=0...M–1{Xn+i + –mi}0 ≤ n ≤ N – M
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Die
Erosionsoperation subtrahiert und ist damit eine Schwundoperation,
d. h. der Ausgang ist immer kleiner als der Eingang, wenn die Schablone
mi für
alle i größer als
null ist. Im Gegensatz zur Dilationsoperation geht die Erosion zeitlich
voraus, wie Xn + i erkennen lässt.
In einer Echtzeitanwendung muss daher die Erosionsschaltung warten,
bis die späteren Abtastwerte
vorbeigeleitet werden, wodurch sich eine Verzögerung von M – 1 Abtastwerten
ergibt, wie in 3B zu erkennen ist. Wie die
Dilation erzeugt auch eine Erosionsoperation einen Ausgangsdatensatz,
der um M – 1-Abtastwerte
kürzer
ist als der Datensatz mit dem Unterschied, dass die Abtastwerte am
Satzende verloren sind. Die Eingangsleistung X, die bereitgestellt
werden kann durch Anschließen
der Ausgangsleistung Yd von der Dilationsschaltung aus 3A,
wird in die entsprechenden Abtastpunkte 42, 43, 44 getaktet.
Die Subtraktionen werden für
jeden Abtastwert durchgeführt
durch die Subtraktionsschaltungen 45, 46, 47, 48,
mit m entsprechenden Schablonenwerten, die durch die Erosionsschablonendaten TE
bestimmt werden, wie bei 49 angegeben. Die Schaltung 50 untersucht
die Ergebnisse der Subtraktionsoperationen und gibt für jeden
Wert n den Minimum-Abtastwert mit dem Ergebnis Ye aus. Wie oben erörtert und
aus den Gründen,
die aus den folgenden Darstellungen klar werden, werden Dilation
und Erosionen üblicherweise
zu Filtern kombiniert, die als Öffnen-
bzw. Schließen-Filter
bekannt sind. Wie in 3C dargestellt, besteht Schließen aus
einer Dilationsschaltung 52, auf die eine Erosionsschaltung 53 folgt.
Wie in 3D dargestellt, besteht Öffnen aus einer
Erosionsschaltung 53, auf die eine Dilationsschaltung 52 folgt.
Weil Dilation und Erosion entweder bei Öffnen oder bei Schließen kombiniert
werden, gehen die ersten M – 1
Abtastwerte bei der Dilation und die letzten M – 1 Abtastwerte bei der Erosion
verloren, so dass der durch Öffnen
oder Schließen
erzeugte Satz Ausgangsleistung um 2(M – 1) Abtastwerte kürzer als
der Datensatz ist. Beim Bilden eines Öffnen- bzw. Schließen-Filters aus einer
Dilation und einer Erosion können
beide Operatoren dieselbe Schablone verwenden; jedoch sind die für die Erosionsoperation
geschalteten Schablonendaten umgekehrt zu denen für die Dilationsoperation,
wie aus den Gleichungen und einem Vergleich der 3A und 3B ersichtlich
wird. 3E stellt eine Öffnen-Schließen-Schaltung dar, ist
also ein Öffnen-Filter 54,
gefolgt von einem Schließen-Filter 55.
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Die
Eröffnung
einer Datensequenz mit einer flachen bzw. gleichwertigen Schablone
führt dazu, dass
alle Spitzen, die kürzer
als die M – 1-Abtastwerte
sind, eliminiert werden. Beim Abschließen derselben Sequenz mit derselben
Schablone werden alle Gräben,
die kürzer
als die M – 1-Abtastwerte
sind, eliminiert. Daher wird allgemein ein Öffnen zum Eliminieren von Spitzen
und ein Schließen
zum Eliminieren von Gräben
verwendet. Diese Ergebnisse sind in den 4A und 4B dargestellt. 4A zeigt
die Reaktion eines Öffnen,
d. h. Erosion und dann Dilation bei einer Schablonenlänge M von
drei Abtastwerten und m-Werten von 1. Nach der Erosionsoperation ist
die Spitze durch das Ausgangssignal unterdrückt, aber der Graben ist länger geworden.
Nach der Dilationsoperation ist die Spitze nach wie vor unterdrückt, aber
der Graben wurde in seine ursprüngliche
Position zurückgeführt, so
dass die Operation einfach nur die Wirkung hatte, diejenige Spitze
zu unterdrücken, die
kürzer
als die drei Abtastwerte ist. 4B zeigt die
Schließen-Operation,
wobei die Dilationsoperation zunächst
den Graben unterdrückt,
aber die Spitze verstärkt,
wonach die Erosionsoperation die Spitze in ihre ursprüngliche
Form zurückbringt,
wodurch einfach nur der Graben unterdrückt wurde. Sowohl beim Öffnen als
auch beim Schließen
bewirkt daher der erste Schritt die Filterung des Grabens bzw. der
Spitze, während
der zweite Schritt im Wesentlichen die ursprüngliche Form des Eingangssignals
ohne die unterdrückte
Spitze bzw. den unterdrückten
Graben wiederherstellt.
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Wenn
die Öffnen-
und Schließen-Operationen
kombiniert werden, stellen die beiden Merkmale einen Filter bereit,
der im Wesentlichen sowohl Spitzen als auch Gräben unterdrückt und dabei die übrigen Signalabschnitte
nicht beeinträchtigt.
Diese Filter werden einfach Öffnen-Schließen-Filter
genannt, z. B. um ein Signal zuerst zu öffnen und dann zu schließen, bzw.
Schließen-Öffnen-Filter.
Ein Öffnen-Schließen ist
in 3E dargestellt, wo auf einen Öffnen-Filter 54 ein
Schließen-Filter 55 folgt.
Da zwei Dilationen und zwei Erosionen durchgeführt werden, hat der resultierende
Ausgangsdatensatz 2(M – 1)
Abtastwerte am Anfang und 2(M – 1)
am Ende verloren, so dass damit der Ausgangsdatensatz um 4(M – 1) Abtastwerte
kürzer
ist als der vorangegangene Satz. Die Ergebnisse für Öffnen-Schließen- bzw. Schließen-Öffnen-Operationen
sind in 4C dargestellt und zeigen, dass
mit beiden, d. h. Öffnen-Schließen und
Schließen-Öffnen, im
Wesentlichen identische Ergebnisse erreicht werden, nämlich die
Spitze und den Graben zu eliminieren. Für einen nicht ganz idealen
Datensatz können
jedoch größere Unterschiede zwischen
der Ausgangsleistung von Öffnen-Schließen und
Schließen-Öffnen auftreten,
insbesondere bei nicht flachen Schablonen. Dies kann geschehen, wenn
der erste Schritt eine Spitze oder einen Graben über die Schablonenlänge hinaus
umspannt, so dass der zweite Schritt nichts eliminieren kann. Daher
ist für
einen Filter, der in erster Linie Spitzen eliminieren soll, wie
sie beim Einsatz zum Abweisen von FFR-Wellen aus einem AEGM weiter
unten erläutert werden,
die Verwendung von Öffnen-Schließen ratsam,
weil der erste Schritt für
diese Aktion besser geeignet ist.
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Für die bevorzugte
erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Schrittmachers sind sowohl Größe als auch Energieverbrauch
so weit wie möglich
zu minimieren, um die Batterieleistung zu erhalten. Demzufolge umfasst
die bevorzugte Ausführungsform
morphologische Analogfilter, bei denen jede Dilations- oder Erosionseinheit
eine analoge Verzögerungslinie
mit M Abtastpunkten umfasst; ein Addierwerk für jeden Abtastpunkt; eine individuell
programmierte Speicherzelle für
jedes Addierwerk; und eine Verbindung von jedem Addierwerk zur Maximum- bzw.
Minimumschaltung. Angesichts der Tatsache, dass bei variablen Schablonenwerten
für jeden
Abtastpunkt eine eigene Speicherzelle benötigt wird, liegt der Wunsch
nach gemeinsamen Schablonenwerten nahe, da ansonsten die Komplexität der Schaltung
zumindest linear von der Schablonenlänge abhängt; und da außerdem der
Platzbedarf für
die Schaltung und der Energieverbrauch mit der Variabilität der Schablone
zunimmt. Es hat sich herausgestellt, dass zum Verarbeiten des AEGM
die gemeinsamen Schablonenwerte (m) ohne Einbuße bei der Zuverlässigkeit
verwendet werden können.
Natürlich werden
für komplexere
Wellenformen eventuell variable Schablonen benötigt, um zu einem optimalen Kompromiss
zwischen präziser
Filterung und Kostenaufwand zu kommen. Außerdem können, um die Komplexität der Berechnungen
zu minimieren und abhängig
von den Merkmalen des Eingangssignals, bestimmte Abtastpunkte ausgelassen
werden, wenn die entsprechenden Schablonenwerte im Vergleich zu
benachbarten Werten klein sind.
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Nun
wird Bezug genommen auf das spezielle Problem der Erfassung der
P-Welle und gleichzeitiger Abweisung der FFR-Welle; hierbei ist es wichtig zu erkennen,
dass die Breite bzw. Dauer der P-Welle kürzer als die der FFR-Welle
ist. Um die FFR-Welle mit einem morphologischen Filter auszufiltern,
würde eine
nicht-flache Schablone benötigt,
deren Länge etwa
der Länge
einer AEGM-Periode, d.h, einem P-P Intervall entspricht. Es ist
jedoch anzumerken, dass die P-Welle selbst unterdrückbar ist
mit einer Schablone, die höchstens
so lang ist wie eine P-Welle, d.h, mit einer kleineren Schablone.
Dementsprechend wird die Schaltung gemäß 5 bevorzugt,
wobei das analoge AEGM-Signal in den morphologischen Filter 58 eingegeben
wird, der zum Unterdrücken
der P-Welle eingestellt ist. Die Ausgangsleistung, d. h. das Eingangssignal
abzüglich
der P-Wellenspitze, die
der Schrittmacher sehen will, wird vom Eingangssignal subtrahiert,
wodurch nur die P-Welle verbleibt. Eine Subtraktion muss mit zeitlich übereinstimmenden
Signalen erfolgen, und da der Filter 58 eine Verzögerung einführt, wird
die Eingangsleistung durch die Verzögerungsschaltung 59 geleitet,
um die gleiche Verzögerung
herzustellen. Die Ergebnisse dieser Operation sowie der Einfluss
der Auswahl von M ist in den 6A, 6B und 6C zu
erkennen. In 6A wird eine drei Abtastwerte
lange Schablone mit einer Taktfrequenz von 1 kHz eingesetzt. Wie
in der oberen Kurve zu erkennen ist, enthält die Eingangsleistung den
P-Wellenkomplex mit der größeren Amplitude
sowie die FFR-Welle. Die Filterausgangsleistung, von der ein Teil
der positiv verlaufenden Spitze der P-Welle subtrahiert wird, ist
nur im Bereich der P-Welle unterschiedlich. Wie in der unteren Kurve
zu erkennen ist, ergibt folglich die Eingangsleistung minus Ausgangsleistung
zwei Spitzen, die um die P-Welle auftreten, eine negative und eine
positive, wobei beide 3 Abtastwerte lang sind. In 6B wird
eine 7 Abtastpunkte lange Schablone verwendet, woraus sich am Ende
nur eine 7 Abtastpunkte lange positive Spitze ergibt. Dieses Ergebnis erscheint
optimal, weil die positive P-Wellenspitze deutlich definiert und
keine FFR-Welle vorhanden ist. Es ist auch anzumerken, dass als
Ergebnis dieser Operation auch eine deutliche Null-Grundlinie vorhanden
ist. In 6C erzeugt ein 15 Abtastpunkte langer
Filter eine größere Spitze
um die P-Welle, ergibt jedoch auch eine kleine Reaktion um die FFR-Welle.
Zwar könnten
in diesem speziellen Fall die unterschiedlichen Amplituden zur Unterscheidung
zwischen den zwei Reaktionen verwendet werden, jedoch ist dies eindeutig
weniger wünschenswert
als das Ergebnis gemäß 6B.
Außerdem bringt
die längere
Schablone höhere
Kosten und Energieverbrauch mit sich. Dementsprechend wird ein Filter
mit M = 7 als der beste Kompromiss zwischen Ausgangsamplitude und
Schaltungskomplexität
gewählt.
Allgemein gesprochen zielt die Erfindung somit darauf ab, die Schablone
im Verhältnis
zu dem interessierenden Wellenabschnitt auf eine solche Größe einzustellen,
dass sich eine klare Ausgangsleistung der Spitze ergibt, die dem
Wellenabschnitt entspricht.
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7 zeigt
ein Blockschaltbild eines Zweikammer-Herzschrittmachers, wobei die Taktfrequenz,
FS, so eingestellt wird, dass Frequenzabweichungen der Herzsignale
verfolgt werden. Wie gezeigt, wird das atriale Signal bzw. AEGM
in den Abtastblock 60 eingegeben, der durch Takte abgetastet wird,
die durch die Taktschaltung 64 mit einer Frequenz FS erzeugt
wurden. Gleichzeitig wird das von der ventrikulären Leitung VEGM abgeleitete
ventrikuläre
Signal bei Schaltung 66 abgetastet, und zwar auch mit Takten
bei einer Frequenz FS. Die AEGM-Abtastwerte werden zur Ableitung
von P-Wellensignalen in den morphologischen Filter 61 eingegeben;
die VEGM-Abtastwerte werden zur Ableitung von R-Wellensignalen in
den morphologischen Filter 68 eingegeben. Die R-Wellensignale
werden auch in den Spitzendetektor 70 hineingeleitet, um
R-Wellenimpulse bereitzustellen. Die R-Wellenimpulse werden wiederum
in die Schaltung 72 eingegeben, die die RR-Frequenz bestimmt
und ein der RR-Frequenz entsprechendes Ausgangssteuersignal bereitstellt. Damit
erzeugen RR-Variationen Variationen bei der Dauer der QRS- und P-Wellen,
und der Schrittmacher passt sich durch entsprechende Änderung
der Abtastfrequenz an. Das Abtastfrequenz-Steuersignal ist von der
Schaltung 72 zur Taktschaltung 64 verbunden, um
diese automatische Einstellung zu erreichen.
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8 zeigt
ein Blockschaltbild eines Schrittmachers oder einer ähnlichen
Vorrichtung zum Verarbeiten verschiedener Signalabschnitte oder
verschiedener Signale. Daher kann in einer typischen Anwendung eines
Schrittmachers ein erster morphologischer Filter zum Separieren
des QRS-Abschnitts und ein zweiter für den T-Wellenabschnitt vorhanden sein;
oder es kann ein morphologischer Filter zum Separieren des QRS-Abschnitts
des ventrikulären
Signals und ein weiterer für
den P-Wellenabschnitt des atrialen Signals vorhanden sein. In derartigen
Situationen kann dieselbe Schablone für jeden morphologischen Filter
eingesetzt werden mit entsprechenden Unterschieden bei der Abtastfrequenz,
um die auszufilternden Signale zu optimieren. Wie in 8 dargestellt,
ist ein gemeinsames Analogsignal mit den Abtastschaltungen 75 und 77 verbunden,
die Abtastwerte an die Filter 76 bzw. 78 liefern.
Die Abtastschaltung 75 wird mit der Taktfrequenz FS getaktet,
während
die Schaltung 77 mit Taktsignalen bei einer Frequenz von
FS ÷ N
getaktet wird, wobei N eine beliebig gewählte Zahl sein kann. In der
dargestellten Ausführungsform
wird eine gemeinsame Schablone vom Speicher 80 abgeleitet
und in beide Filter eingegeben. Es ist zwar nicht gezeigt, aber
Speicher 80 kann durch eine externe Quelle programmierbar sein.
In einer weiteren Ausführungsform
werden n verschiedene Schablonen zum Steuern von n verschiedenen
morphologischen Filtern verwendet zum Identifizieren von n entsprechenden
Wellentypen.
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9 zeigt
ein Flussdiagramm zur Darstellung der Hauptschritte für die Filterung
von Signalen gemäß der vorliegenden
Erfindung und für
das Einstellen der Schablonenmerkmale für die morphologische Operation. 9 stellt
insbesondere die Schritte dar, die ein Schrittmacher ausführt, um
eine P-Welle abzuleiten, von der die FFR-Welle unterdrückt wurde.
Bei 84, die Länge
M der Operation; die Schablonenzahl (m); und die Taktrate (FS) werden
gemäß den programmierten
Anfangsdaten initialisiert. Bei 85 erhält der Schrittmacher ein kontinuierliches
analoges atriales Signal von der atrialen Leitung und liefert es
an den morphologischen Filter. Bei 86 führt ein Filter die morphologischen
Operationen aus und leitet dabei ein Signal ab, von dem die P-Welle
wie oben beschrieben entfernt wurde. Bei 88 wird das gefilterte Signal
von dem Analogsignal subtrahiert, um das resultierende P-Wellen-Spitzensignal
zu erhalten. Bei 89 wird eine Entscheidung getroffen, ob
die Schablonenlänge,
die Schablone oder die Taktfrequenz einzustellen ist. Falls ja,
führt der
Schrittmacher bei 90 in gespeicherten Werten jüngerer P-Wellen eine Fehleranalyse
durch und schreibt eine entsprechende Einstellung vor. Eine solche
Fehleranalyse kann eventuell das Bewerten von Variationen der quadratischen
Mittelwerte jüngerer
erfasster P-Wellen umfassen. Das Programm kehrt dann in einer Schleife
zurück
und führt
beim ankommenden atrialen Signal weiterhin die morphologischen Operationen
aus.
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Hier
wurde die wichtigste Anwendung der Abtastung von P-Wellen und Filterung
von FFR-Wellen dargestellt, die Erfindung ist aber auf andere Schrittmacherfunktionen
gleichermaßen
anwendbar. In einem AAI-Schrittmacher zum Beispiel kann es außerordentlich
nützlich
sein, FFR-Wellen abzutasten, d. h. herauszugreifen, um so die Detektion
ventrikulärer
Depolarisationen ohne Leitung im Ventrikel zu ermöglichen.
Dies kann durch Einstellen der Schablone auf die Morphologie der
FFR-Welle geschehen. Hier muss die Schablonenbreite mit der Länge der FFR-Welle
vergleichbar sein. Damit ist die Operation identisch mit der in 9,
außer
dass in Schritt 88 die FFR-Welle abgeleitet wird. Ebenso
können
verschiedene Tachykardien unterschieden werden mit entsprechenden,
an die Form der Tachykardie angepassten morphologischen Filtern,
z. B. dass eine supraventrikuläre
Tachykardie (SVT) von einer ventrikulären Tachykardie (VT) und SVT
von einer Sinus-Tachykardie unterschieden werden kann.