JP7189210B2 - 植込み型医療装置用のハイブリッド信号処理回路及び方法 - Google Patents

植込み型医療装置用のハイブリッド信号処理回路及び方法 Download PDF

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Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１７年１０月１２日出願の米国特許非仮出願第１５／７８２、４９６号に基づく優先権を主張するものである。上記出願の開示内容は、参照により本明細書中に援用される。
（技術分野）
本開示の実施形態は、一般的に、植込み型医療装置によって感知された信号を処理するためにハイブリッド信号処理回路を使用する方法及び装置に関する。
植込み型医療装置（ＩＭＤ）は、電源によって駆動される装置であり、患者の生体信号をモニタリングまたは感知し、場合によっては生体信号に影響を与えるために患者に植え込まれる。植込み型医療装置には、これに限定しないが、植込み型の心臓律動管理装置、神経刺激装置、植込み型の圧力変換器、及び植込み型の薬物送達装置が含まれる。
様々なタイプの生理学的データを感知するように構成された様々なＩＭＤが存在する。例えば、心臓律動管理装置は、心内心電図（ＩＥＧＭ）を感知し、神経刺激装置（例えば、深部脳刺激システム）は、皮質脳波（ＥＣｏＧ）または局所電場電位（ＬＰＦ）を感知する。一般的に、生理学的データは、患者の身体に接続された１以上の電極セットに接続された感知回路によって感知される。感知回路は、とりわけ、関心のある信号は増幅して処理し、その一方で、関心のない信号（例えば、関心のある周波数帯外の信号）は排除またはフィルタ除去する。感知回路から出力された、増幅及び処理された信号は、その後、関心のある他の特徴について分析される、及び／または、後で使用するために記憶される。感知回路は、通常、感知動作の電力消費を低減するために、（汎用デバイスプロセッサ上での信号処理の代わりに）ハードウェア構成により実現される。
本開示の実施形態によれば、植込み型医療装置（ＩＭＤ）が提供される。本開示の植込み型医療装置は、患者の生理学的特徴を示す生理学的データを感知して出力するように構成された感知回路と、少なくとも１つのプロセッサとを備える。メモリが、少なくとも１つのプロセッサに接続される。メモリは、プログラム命令と、処理されたデータとを格納する。プログラム命令は、ＩＭＤ内で一般的な動作機能を実行するために少なくとも１つのプロセッサによって実行可能である。ハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路が、少なくとも１つのプロセッサ及び感知回路に接続される。ハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路は、生理学的データをフィルタリングするように構成される。ハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路は、複数の１次フィルタと、複数の高次フィルタと、１次フィルタ及び高次フィルタの組み合わせを相互接続して、選択電力要求量以下を使用する選択複合周波数応答を有するハイブリッドデジタルフィルタを形成するように構成されたスイッチマトリクスと、を含む。
任意選択で１次フィルタは、整数係数を使用してプログラムされたデジタル整数フィルタを含む。高次フィルタは、２次再帰型デジタルフィルタを含む。また、高次フィルタは、その少なくとも一部が様々な対応する周波数通過帯域を有する双二次デジタルフィルタを含む。複数の１次フィルタは、様々な対応するローパス周波数範囲を有するローパス整数フィルタと、様々な対応するハイパス周波数範囲を有するハイパス整数フィルタとを含む。スイッチマトリクスは、ローパス整数フィルタ、ハイパス整数フィルタ、及び双二次デジタルフィルタの少なくとも一部をカスケード方式で相互接続して、選択複合周波数応答を有するハイブリッドデジタルフィルタを形成する。また、スイッチマトリクスは、複数の１次フィルタ及び複数の高次フィルタの少なくとも一部をカスケード方式で相互接続して、選択複合周波数応答を形成するように構成される。
任意選択で、スイッチマトリクスは、複数の１次フィルタ及び複数の高次フィルタの少なくとも一部をカスケード方式で相互接続して、選択された電力要求量以下を使用するハイブリッドデジタルフィルタを形成するように構成される。また、スイッチマトリクスは、選択複合周波数応答を形成するために、複数の１次フィルタの少なくとも１つと、複数の高次フィルタの少なくとも１つとを加算方式または減算方式で相互接続するように構成される。複数の高次フィルタの少なくとも１つは、広帯域ローパスフィルタとして構成される。複数の１次フィルタの少なくとも１つは、狭帯域ローパスフィルタとして構成される。狭帯域ローパスフィルタのカットオフ周波数は、広帯域ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも低いカットオフ周波数を有する。高次フィルタの少なくとも１つは、対応する遷移領域において第１の減衰率を示す周波数応答を有するように構成され、１次フィルタの少なくとも１つは、対応する遷移領域において、第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率を示す周波数応答を有するように構成される。
本開示の実施形態によれば、植込み型医療装置（ＩＭＤ）においてデータを処理する方法が提供される。本開示の方法は、複数の１次フィルタ及び複数の高次フィルタを含み、かつ、選択電力要求量以下を使用する選択複合周波数応答を有するハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路を使用する。ＨＳＰ回路は、複数の１次フィルタの少なくとも１つの１次フィルタと複数の高次フィルタの少なくとも１つ高次フィルタとの組み合わせを相互接続することによって、選択複合周波数応答を定義する。本開示の方法は、感知回路で、患者の生理学的特徴を示す生理学的データを感知するステップを含む。また、本開示の方法は、選択複合周波数応答を用いてハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路で生理学的データをフィルタリングして、フィルタリングされた生理学的データを提供するステップをさらに含む。
任意選択で、本開示の方法は、フィルタリングされた生理学的データを処理または格納するステップをさらに含む。また、本開示の方法は、ハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路の複数の１次フィルタを定義するために、整数係数を使用して整数フィルタをプログラムするステップをさらに含む。また、本開示の方法は、複数の高次フィルタとして、２次再帰的デジタルフィルタを提供するステップをさらに含む。また、本開示の方法は、高次フィルタとして、双二次デジタルフィルタを構成するステップをさらに含む。双二次デジタルフィルタは、様々な対応する周波数通過帯域またはカットオフ周波数を有し得る。また、本開示の方法は、複数の１次フィルタを、様々な対応するローパス周波数範囲を有するローパス整数フィルタと、様々な対応するハイパス周波数範囲を有するハイパス整数フィルタとして構成するステップと、ローパス整数フィルタ、ハイパス整数フィルタ、及び双二次フィルタの少なくとも一部をカスケード方式で相互接続して、選択複合周波数応答を有するハイブリッドデジタルフィルタを形成するステップと、をさらに含む。
任意選択で、本開示の方法は、複数の１次フィルタを、様々な対応するローパス周波数範囲を有するローパス整数フィルタと、様々な対応するハイパス周波数範囲を有するハイパス整数フィルタとして構成するステップと、ローパス整数フィルタ、ハイパス整数フィルタ、及び双二次フィルタの少なくとも一部を加算方式または減算方式で相互接続して、選択複合周波数応答を有するハイブリッドデジタルフィルタを形成するステップと、をさらに含む。本開示の方法は、複数の１次フィルタの少なくとも１つの周波数応答と複数の高次フィルタの少なくとも１つの周波数応答との畳み込みに基づいて選択複合周波数応答を定義するステップをさらに含む。
任意選択で、本開示の方法は、高次フィルタの少なくとも１つを広帯域ローパスフィルタとして構成し、１次フィルタの少なくとも１つを、広帯域ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも低いカットオフ周波数を有する狭帯域ローパスフィルタとして構成するステップをさらに含む。本開示の方法は、高次フィルタの少なくとも１つを、対応する遷移領域において第１の減衰率を示す周波数応答を有するように構成し、１次フィルタの少なくとも１つを、対応する遷移領域において、第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率を示す周波数応答を有するように構成するステップをさらに含む。
マルチチャンバー刺激及びペーシング療法を送達するのに適した、３つのリードを介して患者の心臓に電気的に接続された例示的なＩＣＤを示す。 心臓除細動器、除細動、及びペーシング刺激を含む刺激療法によって、頻脈性不整脈及び徐脈性不整脈の両方を治療することができるＩＭＤの簡略化されたブロック図を示す。 本開示の実施形態にしたがって形成されたバイカッドフィルタを示す。 本開示の実施形態による１次ハイパスフィルタとして設計された整数フィルタの構成例を示す。 本開示の実施形態による１次ローパスフィルタとして設計された整数フィルタの構成例を示す。 本開示の実施形態によるローパスデジタルフィルタが示す周波数振幅応答の一例を示す。 本明細書の一実施形態にしたがって形成されたＨＳＰ回路を示す。 例えば図２Ｄの１次ローパスフィルタで使用される係数ａの３つの連続した値に対する、可能性のある様々なローパスフィルタ周波数応答の例を示す。 一次フィルタと高次フィルタとの選択された組み合わせをカスケード方式で相互接続することにより構成することができるハイブリッドフィルタの一例のブロック図を示す。 第１のフィルタと高次のフィルタとの選択された組み合わせを、それらの間の出力信号の減算及び／または加算によって相互接続することによって構成することができるハイブリッドフィルタの一例のブロック図を示す。 本開示の実施形態にしたがって感知された信号を処理するためのフローチャートを示す。
本明細書及び図面において説明または図示される実施形態の構成要素は、説明される例示的な実施形態に加えて、多種多様な異なる構成で配置及び設計してもよいことは容易に理解できるであろう。したがって、以下の、図面に示される例示的な実施形態の詳細な説明は、特許請求されるように実施形態の範囲を限定するものではなく、単なる例示的な実施形態の代表例である。
本明細書を通じて、「一実施形態」または「或る実施形態」（または同様のもの）に対する言及は、実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性が少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な場所において現れる「一実施形態では」または「或る実施形態では」などの表現は、必ずしもすべてが同一の実施形態を意味しているわけではない。
さらに、明細書で説明される特徴、構造、または特性は、１以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせてもよい。以下の説明では、実施形態の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が提供される。しかし、当業者であれば、１以上の特定の詳細を用いずに、または、他の方法、構成要素、材料などを用いて、様々な実施形態を実施できることを理解できるであろう。他の例では、混乱を避けるために、よく知られている構造、材料、または動作は、詳細に図示または説明されていない。以下の説明は、例示のみを意図しており、いくつかの例示的な実施形態を示しているにすぎない。
本明細書に記載される方法及び装置は、本明細書に記載される様々な実施形態（例えば、システム及び／または方法）の構造または態様を用いる。様々な実施形態では、特定の動作を省略または追加してもよく、特定の動作を組み合わせてもよく、特定の動作を同時に実行してもよく、特定の動作を平行に実行してもよく、特定の動作を複数の動作に分割してもよく、特定の動作を異なる順序で実行してもよく、または、特定の動作または一連の動作を反復して再実行してもよい。本明細書の実施形態にしたがって、他の方法を使用してもよいことに留意されたい。さらに、本方法は、１以上の装置またはシステムの１以上のプロセッサによって、完全にまたは部分的に実施してもよい。いくつかの方法の動作は、或る装置の１つまたは複数のプロセッサによって実行されるように説明されているが、そのような動作の一部またはすべては、本明細書に記載される別の装置の１つまたは複数のプロセッサによって実行してもよい。
用語
「整数フィルタ」という用語は、フィルタを定義するｚ領域伝達関数において整数係数のみを有するデジタルフィルタのクラスを指す。
「次数フィルタ」及び「フィルタ次数」という用語は、デジタルフィルタを定義するｚ領域伝達関数の分子または分母における最大指数を示す数を指すために互換的に使用される。例えば、二次フィルタは伝達関数によって定義され、二次指数は分子または分母における最大指数である。有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタでは、伝達関数に分母はなく、フィルタ次数は単にフィルタ構造で使用されるタップ数である。無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタの場合、フィルタ次数はフィルタ構造における遅延要素の数に等しい。
「一次フィルタ」という用語は、１つの極値及び／または１つの０を有し、かつ、２つ以上の極値及び／または２つ以上のゼロを有さない伝達関数によって特徴付けられるデジタルフィルタを指す。例えば、１次フィルタは伝達関数によって定義され、１次指数は分子または分母の最大指数である。１次フィルタの一例は、整数フィルタである。１次フィルタは、ハイパスフィルタまたはローパスフィルタとして構成され得る。ローパスフィルタとして構成される場合、１次フィルタは、カットオフ周波数未満ではほとんど減衰を示さない。
「高次フィルタ」という用語は、２つ以上の極値及び／または２つ以上のゼロを有する伝達関数によって特徴付けられるデジタルフィルタを含む、一次フィルタでないすべてのデジタルフィルタを含む（例えば、２次、３次またはそれ以上のフィルタ）。例えば、２次または３次のフィルタは伝達関数によって定義され、その２次または３次の指数はそれぞれ分子または分母の最大指数である。高次デジタルフィルタの一例は、双２次またはバイカッドフィルタである。双二次フィルタは、２つの極値及び２つのゼロを有する２次再帰線形フィルタとも称される。
「減衰する」及び「減衰」という用語は、通常、デシベル（ｄＢ）で測定される、デジタルフィルタを通過した後の信号によって生じる振幅損失を指す。フィルタ減衰は、所与の周波数における、フィルタの出力（ａｏｕｔｐｕｔ）における信号振幅とフィルタの入力（ａｉｎｐｕｔ）における信号振幅との比であり、減衰（ｄＢ）＝２０ｌｏｇ１０（ａｏｕｔｐｕｔ／ａｉｎｐｕｔ）と定義される。所与の周波数で、フィルタの出力振幅が入力振幅よりも小さい場合、出力／入力比は１よりも小さくなり、減衰は負の数になる。
「カスケード」及び「カスケードフィルタ」という用語は、複数の個々のデジタルフィルタが直列に接続されたフィルタリングシステムの実施を指すために互換的に使用される。カスケード構成では、或るフィルタの出力が次のフィルタの入力を駆動する。
「遮断周波数」という用語は、ローパスフィルタのための上側通過帯域周波数、及びハイパスフィルタのための下側通過帯域周波数を指す。例えば、カットオフ周波数は、周波数応答が選択された減衰量を示すポイント、例えば、ピーク通過帯域値に対するフィルタ振幅応答の－３ｄＢポイントによって決定され得る。
「フィルタ係数」という用語は、タップ重みとも呼ばれる定数のセットを指し、デジタルフィルタ構造内の遅延された信号サンプル値に対して乗算するために使用される。フィルタ係数は、所望のフィルタ周波数応答を定義する。有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタの場合、フィルタ係数はフィルタのインパルス応答である。
「周波数応答」及び「周波数振幅応答」という用語は、フィルタが入力信号とどのように相互作用するかについての周波数領域の記述を指すために交換可能に使用される。周波数応答は、フィルタ減衰（ｄＢ単位）対周波数の曲線として特徴付けることができる。
「ロールオフ」という用語は、通過帯域から阻止帯域への遷移領域におけるフィルタ応答の傾きまたは傾斜を指す。例えば、特定のデジタルフィルタは、１２ｄＢ／オクターブのロールオフを有すると言うことができ、これは、周波数ｆ０または２ｆ０の第１オクターブが、ｆ０におけるフィルタ減衰よりも１２ｄＢだけ減衰されることを意味する。第２のオクターブ４ｆ０は、ｆ０でのフィルタ減衰よりも２４ｄＢだけ減衰する（以下同様）。
「阻止帯域」という用語は、阻止帯域内の対応する周波数における出力信号が下流での処理を損なったり、または下流での処理に影響を与えたりしないように、デジタルフィルタによって予め定められた量だけ減衰させた周波数の帯域を指す。例えば、阻止帯域は、出力信号が－２０ｄＢ以上減衰したすべての周波数を含み得る。阻止帯域減衰は、ピーク通過帯域振幅と最大阻止帯域ローブ振幅との間で測定される。
本開示の実施形態は、１以上の植込み型医療装置（ＩＭＤ）に関連して実施される。ＩＭＤの非限定的な例としては、神経刺激装置、植込み型のリードレスのモニタリング及び／または治療用装置、及び／または、別の植込み型医療装置が挙げられる。例えば、ＩＭＤは、心臓モニタリング装置、ペースメーカ、心臓除細動器、心臓律動管理装置、除細動器、神経刺激装置、リードレスモニタリング装置、リードレスペースメーカなどであり得る。例えば、ＩＭＤは、米国特許第９、３３３、３５１号明細書及び同第９、０４４、６１０号明細書に記載された装置の１以上の構造的及び／または機能的な態様を含み得る（上記の各特許文献の内容は、参照により本明細書に援用されるものとする）。加えてまたは代替的に、ＩＭＤは、米国特許第９、２１６、２８５号明細書及び同８、８３１、７４７号明細書に記載された装置の１以上の構造的及び／または機能的な態様を含み得る（上記の各特許文献の内容は、参照により本明細書に援用されるものとする）。加えてまたは代替的に、ＩＭＤは、米国特許第８、３９１、９８０号明細書及び同９、２３２、４８５号明細書に記載された装置の１以上の構造的及び／または機能的な態様を含み得る（上記の各特許文献の内容は、参照により本明細書に援用されるものとする）。
植込み型医療装置
添付図面を参照した詳細な説明は、効率的なデータ処理のための植込み型医療装置（ＩＭＤ）の例示的な実施形態を説明するためのものである。他の実施形態も可能であり、本明細書に提示されたＩＭＤの精神及び範囲内で、本開示の実施形態の様々な改変を行うことができる。したがって、以下の詳細な説明は、ＩＭＤを限定するものではない。むしろ、ＩＭＤの範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
以下に説明するような、フィルタを含むＩＭＤが、添付図面に図示されるハードウェア、回路、ソフトウェア、ファームウェア、及び／またはエンティティの様々な実施形態で実施され得ることは、当業者には明らかであろう。本明細書に記載される任意の実際のソフトウェア及び／またはハードウェアは、本明細書に提示されるＩＭＤを限定するものではない。したがって、ＩＭＤの動作及び挙動は、本明細書に提示される詳細のレベルを前提として、本開示の実施形態の改変及び変更が可能であるという理解のもとに説明される。
本明細書に提示されるＩＭＤは、植込み型心臓除細動器（ＩＣＤ）環境下で特に有用である。ＩＣＤは、患者の心臓の電気的活動のモニタリング、及び、適切な電気療法（例えば、必要に応じて、ペーシングパルス、心臓除細動パルス、または除細動（またはショック）パルス）を行うために患者の体内に植え込まれる医療装置である。「植込み型除細動器」またはその略称の「ＩＣＤ」という用語は、本明細書では、当分野で既知の任意の植込み型心臓装置（ＩＭＤ）を指すために使用される。以下、ＩＣＤ環境下でのＩＭＤ装置について説明する。添付の特許請求の範囲によって定義されるＩＭＤは、ＩＣＤにおいてのみ使用することに限定されず、簡略化のためにＩＣＤ環境下で説明されることに留意されたい。
図１は、マルチチャンバー刺激及びペーシング療法を送達するのに適した、３つのリード２０、２４及び３０を介して患者の心臓１２に電気的に接続された例示的なＩＣＤ１０を示す。心房心臓信号を感知し、右心房刺激療法を提供するために、ＩＣＤ１０は、一般的には患者の右心耳に植え込まれる少なくとも１つの心房先端電極２２を有する植込み型の右心房リード２０に接続される。
左心房及び左心室の心臓信号を感知し、左心腔ペーシング療法を提供するために、ＩＣＤ１０は、「冠状静脈洞」リード２４に接続される。リード２４は、遠位電極を左心室に隣接して配置するため及び／または追加電極を左心房に隣接して配置するために、冠状静脈洞を介して「冠状静脈洞領域」に配置されるように設計される。本明細書で使用するとき、「冠状静脈洞領域」という用語は、例えば、冠状静脈洞、大心臓静脈、左辺縁静脈、左後心室静脈、中心臓静脈、及び／または小心臓静脈、または冠状静脈洞によってアクセス可能な任意の他の心臓静脈の任意の部分を含む、左心室の脈管構造を指す。したがって、例示的な冠状静脈洞リード２４は、心房及び心室の心臓信号を受信し、少なくとも左心室先端電極２６を使用する左心室ペーシング療法、少なくとも左心房リング電極２７を使用する左心房ペーシング療法、または、少なくとも左心房コイル電極２８を使用するショック療法を提供するように設計される。
また、ＩＣＤ１０は、この実施形態では、ＲＶ先端電極３２、ＲＶリング電極３４、ＲＶコイル電極３６、及び上大静脈（ＳＶＣ）コイル電極３８を有する植込み型右心室（ＲＶ）リード３０によって、患者の心臓１２に電気的に接続されるように示されている。一般的には、ＲＶリード３０は、ＲＶ先端電極３２が右心室の心尖部に配置され、ＲＶコイル電極３６が右心室内に配置され、かつ、ＳＶＣコイル電極３８が上大静脈内に配置されるように、心臓１２内に経静脈的に挿入される。したがって、ＲＶリード３０は、心臓信号を受信し、刺激をペーシング及びショック療法の形態で右心室に送達することができる。ＩＣＤ１０の他の実施形態には、単一の電極及びリード、または上記の電極及びリード構造の１以上の別の組み合わせが含まれ得る。
とりわけ、リード２０、リード２４、及びリード３０のいずれか１つ、またはこれらの任意の組み合わせは、心臓１２から心電図（ＥＧＭ）信号を感知する感知回路としての役割を果たす。ＥＧＭ信号は、以下に説明するように、ＩＣＤ１０で処理される。感知回路は、各電極と共に、患者の心臓１２から１以上の電気信号を感知するための手段としての役割を果たす。さらに、リード２０、リード２４、及びリード３０のうちのいずれか１つ、またはこれらの任意の組み合わせは、一部分においてに、選択された電気療法を心臓１２に提供するための治療回路としての役割を果たす。治療回路は、各電極と共に、心臓１２に電気治療を提供するための手段としての役割を果たす。
選択される電気療法は、これに限定しないが、抗頻拍ペーシング（ＡＴＰ）療法またはショック療法であり得る。ＡＴＰ療法が選択される場合、予めプログラムされた一連のバーストパルスが、リード２０、リード２４、及びリード３０のいずれか１つ、またはこれらの任意の組み合わせを介して心臓に送達される。頻拍を停止させるための様々なＡＴＰ様式が、提案されている。ＡＴＰ療法を論じている特許文献のいくつかの例としては、米国特許第６、７３１、９８２号明細書、同第４、４０８、６０６号明細書、同第４、３９８、５３６号明細書、同第４、４８８、５５３号明細書、同第４、４８８、５５４号明細書、同第４、３９０、０２１号明細書、同第４、１８１、１３３号明細書、及び、同第４、２８０、５０２号明細書が挙げられる（上記の各特許文献の内容は、参照により本明細書に援用されるものとする）。
図２Ａは、心臓除細動器、除細動、及びペーシング刺激を含む刺激療法によって、頻脈性不整脈及び徐脈性不整脈の両方を治療することができるＩＭＤ１０の簡略化されたブロック図を示す。特定のマルチチャンバデバイスが示されているが、これは、図示の目的のためにのみ示されており、当業者は、所望の心臓除細動、除細動、及びペーシング刺激を用いて適切な心腔を治療することができる装置を提供するために、任意の所望の組み合わせで適切な回路を容易に複製、除去、または無効にすることができる。
図２Ａに概略的に示されるＩＣＤ１０のハウジング４０は、しばしば、「カン」、「ケース」、または「ケース電極」とも称され、全ての「単極の」モードのリターン電極として機能するようにプログラム可能に選択され得る。また、ハウジング４０は、ショック提供（shocking）の目的で、リターン電極として、単独で、またはコイル電極２８、３６、及び３８の１以上と組み合わせて使用してもよい。ハウジング４０は、複数の端子４２、４４、４６、４８、５２、５４、５６、及び５８を有するコネクタ（表示されない）をさらに含む。これらの端子は概略的に示されており、便宜上、その端子が接続される電極の名称が、その端子の隣に示されている。例えば、右心房の感知及びペーシングを達成するために、コネクタは、心房先端電極２２に接続するように構成された右心房先端端子４２（ＡＲ ＴＩＰ）を含む。
左心腔の感知、ペーシング、及びショック提供を達成するために、コネクタは、左心室先端端子４４（ＶＬ ＴＩＰ）、左心房リング端子４６（ＡＬ ＲＩＮＧ）、及び左心房ショック端子４８（ＡＬ ＣＯＩＬ）を含み、これらの端子はそれぞれ、左心室先端電極２６、左心房リング電極２７、及び左心房コイル電極２８に接続するように構成される。
右心腔の感知、ペーシング、及びコネクタへのショック提供を支援するために、コネクタは、右心室先端端子５２（ＶＲ ＴＩＰ）、右心室リング端子５４（ＶＲ ＲＩＮＧ）、右心室ショック端子５６（ＲＶ ＣＯＩＬ）、及びＳＶＣショック端子５８（ＳＶＣコイル）をさらに含み、これらの端子はそれぞれ、右心室先端電極３２、右心室リング電極３４、ＲＶコイル電極３６、及びＳＶＣコイル電極３８に接続するように構成される。
プログラム可能なマイクロコントローラ６０は、刺激療法の様々なモードを制御する。マイクロコントローラ６０は、一般的に、刺激療法の実施を制御するために特別に設計されたマイクロプロセッサまたは同等の制御回路を含む。また、マイクロコントローラ６０は、ＲＡＭまたはＲＯＭメモリ、論理回路及びタイミング回路、状態機械回路、及びＩ／Ｏ回路をさらに含み得る。マイクロコントローラ６０の設計の詳細は、本発明にとって重要ではない。むしろ、任意の適切なマイクロコントローラ６０を使用して、本明細書に記載される機能を実行することができる。
本発明に使用することができる代表的なタイプの制御回路には、米国特許第４、９４０、０５２号明細書に記載のマイクロプロセッサベースの制御システム、並びに、米国特許第４、７１２、５５５号明細書及び同第４、９４４、２９８号明細書に記載の状態機械が含まれる。ＩＣＤで使用される様々なタイミング間隔及びそれらの相互関係のより詳細な説明については、米国特許第４、７８８、９８０号明細書を参照されたい。上記の各特許文献の内容は、参照により本明細書に援用されるものとする。
マイクロコントローラ６０は、ペーシングパラメータ（例えば、刺激パルスのタイミング、バーストペーシングパラメータなど）を制御するために、あるいは、不応期、後心房不応期、ノイズ検出ウィンドウ、誘発応答ウィンドウ、アラート間隔、マーカチャネルタイミングなどの当分野で周知のタイミングを制御するために使用されるタイミング制御回路７９を含む。ペーシングパラメータの例には、これに限定しないが、心房心室遅延、心室間遅延、心房間伝導遅延、心室間伝導遅延、及びペーシングレートが含まれる。
マイクロコントローラ６０は、心臓に提供される適切な電気療法を選択するための手段としての役割を果たす治療選択ユニット２０１をさらに含む。適切な電気療法は、複数の治療法から選択することができる。例えば、ＡＴＰ療法を用いることができる。別の電気療法には、ショック療法、または、当分野で公知の任意の他の電気療法が含まれる。
図２Ａに示すように、心房パルス発生器７０及び心室パルス発生器７２は、電極構成スイッチブロック７４を介して右心房リード２０、右心室リード３０、及び／または冠状静脈洞リード２４によって送達されるペーシング刺激パルスを発生させる。心臓の４つの心腔のそれぞれに刺激療法を提供するために、心房パルス発生器７０及び心室パルス発生器７２は、専用の独立したパルス発生器、多重化パルス発生器、または共用パルス発生器を含み得ることを理解されたい。心房パルス発生器７０及び心室パルス発生器７２は、適切な制御信号７６及び制御信号７８を用いてマイクロコントローラ６０によってそれぞれ制御されて、刺激パルスをトリガまたは停止する。
スイッチブロック７４は、所望の電極を適切なＩ／Ｏ回路に接続するための複数のスイッチを有し、これにより、完全な電極プログラマビリティを提供する。したがって、スイッチブロック７４は、当分野で既知のように、マイクロコントローラ６０から入力された制御信号８０に応答してスイッチ（図示せず）の適切な組み合わせを選択的に閉じることによって、刺激パルスの極性（例えば、単極、双極、多極など）を決定する。
また、心房感知回路８２及び心室感知回路８４が、心臓の４つの心腔の各々における心臓活動の存在を検出するために、スイッチブロック７４を介して右心房リード２０、冠状静脈洞リード２４、及び右心室リード３０に選択的に接続され得る。したがって、心房感知回路８２（Ａｔｒ．Ｓｅｎｓｅ）及び心室感知回路８４（Ｖｔｒ．Ｓｅｎｓｅ）は、専用センス増幅器、多重化増幅器、または共用増幅器を含み得る。スイッチブロック７４は、当分野でも知られているように、適切なスイッチを選択的に閉じることによって心臓信号の「検出極性」を決定する。このようにして、臨床医は、刺激極性から独立して検出極性をプログラムすることができる。
心房感知回路８２及び心室感知回路８４の各々は、当分野で既知のように、プログラム可能利得制御及び／または自動利得制御、帯域通過フィルタリング、及び閾値検出回路を含む１以上の低電力の精密増幅器を使用して、関心のある心臓信号を選択的に感知することが好ましい。自動利得制御は、ＩＣＤ１０が、心房細動または心室細動の低振幅信号特性を感知するという困難な問題に効果的に対処することを可能にする。このような心房感知回路８２及び心室感知回路８４は、本発明で使用される心臓機能値を決定するために使用することができる。
心房感知回路８２及び心室感知回路８４の出力は、マイクロコントローラ６０に接続される。そして、マイクロコントローラは、心臓の適切な心腔内での心臓活動の不在または存在に応答して、必要とされる態様で心房パルス発生器７０及び心室パルス発生器７２をそれぞれトリガまたは停止することができる。そして、心房感知回路８２及び心室感知回路８４は、適切な時点で心臓機能を測定する目的で、並びに、利得、閾値、分極電荷除去回路（図示せず）の制御、及び、心房感知回路８２及び心室感知回路８４の入力に接続された任意の遮断回路（図示せず）のタイミング制御を行うために、マイクロコントローラ６０から信号線８６及び信号線８８を介して制御信号を受信する。
不整脈検出のために、ＩＣＤ１０は、心房感知回路８２及び心室感知回路８４を使用して、心臓からＥＧＭ信号を検出する。そして、ＥＧＭ信号は、マイクロコントローラ６０の不整脈検出ユニット２０２で分析される。不整脈が検出された場合、一般的には心拍数に基づいて、不整脈を形態検出ユニット２０４によって分類することができる。
心臓信号はまた、アナログ－デジタル（Ａ／Ｄ）データ収集システム９０の入力に供給される。データ収集システム９０は、心内電位図信号を取得し、生のアナログデータをデジタル信号に変換し、マイクロコントローラ６０でのその後の処理、及び／または外部装置へのテレメトリ送信のために、デジタル信号を格納するように構成される。データ収集システム９０は、所望の電極の対において心臓信号をサンプリングするために、スイッチブロック７４を介して右心房リード２０、冠状静脈洞リード２４、及び右心室リード３０に接続される。
有利には、データ収集システム９０は、加えられた電気刺激に応答する誘発応答を心臓１２から検出し、それによって「キャプチャ（capture）」の検出を補助するために、マイクロコントローラ６０、ＨＳＰ回路１２０、または他の検出ユニットに接続され得る。キャプチャは、心臓に加えられた電気刺激が心臓組織を脱分極させるのに十分なエネルギーを有し、それによって心筋の収縮を引き起こすときに生じる。マイクロコントローラ６０は、刺激パルスに続くウィンドウの間に脱分極信号を検出する。脱分極信号の存在は、キャプチャが生じたことを示す。マイクロコントローラ６０は、心室パルス発生器７２をトリガして刺激パルスを発生させ、マイクロコントローラ６０内のタイミング制御回路７９を使用してキャプチャ検出ウィンドウを開始し、制御信号９２によりデータ収集システム９０を有効にして、キャプチャ検出ウィンドウに入る心臓信号をサンプリングし、振幅に基づいてキャプチャが生じたかどうかを判定することによって、キャプチャ検出を可能にする。
ＩＭＤ１０は、マイクロコントローラ６０及び感知回路に接続されたハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路１２０を含む。ＨＳＰ回路１２０は、感知回路によって感知された生理学的データをフィルタリングするように構成されている。以下に説明するように、ＨＳＰ回路は、複数の１次フィルタと、複数の高次フィルタと、１次フィルタ及び高次フィルタの組み合わせを相互接続するように構成されたスイッチマトリクスとを含み、それらによって、所望に応じて選択された電力要求量である選択電力要求量（select power demand）以下を使用する、所望のフィルタ特性に応じて選択された複合周波数応答である選択複合周波数応答を有するハイブリッドデジタルフィルタを構成する。１次フィルタは、整数係数を使用してプログラムされたデジタル整数フィルタに相当する。高次フィルタは、２次再帰的デジタルフィルタに相当する。さらなる例として、高次デジタルフィルタは、双二次デジタルフィルタに相当し、その少なくとも一部は、様々な対応する周波数通過帯域を有する。本開示の実施形態によれば、複数の１次フィルタは、様々な対応するローパス周波数範囲を有するローパス整数フィルタと、様々な対応するハイパス周波数範囲を有するハイパス整数フィルタとを含む。
キャプチャ検出回路及びアルゴリズムの実施形態は周知である。例えば、米国特許第４、７２９、３７６号明細書、同第４、７０８、１４２号明細書、同第４、６８６、９８８号明細書、同第４、９６９、４６７号明細書、及び、同第５、３５０、４１０号明細書を参照されたい（上記の各特許文献の内容は、参照により本明細書に援用されるものとする）。使用されるキャプチャ検出システムのタイプは、本発明にとって重要ではない。
マイクロコントローラ６０は、適切なデータ／アドレスバス９６によってメモリユニット９４にさらに接続される。マイクロコントローラ６０で使用されるプログラマブル動作パラメータはメモリユニット９４に格納され、特定の患者のニーズに適合するようにＩＣＤ１０の動作をカスタマイズするために、必要に応じて修正される。このような動作パラメータは、例えば、ペーシングパルス振幅、パルス持続時間、電極極性、ペーシングレート、感度、自動特徴、不整脈検出基準、並びに、治療の各段階で患者の心臓に送達される各ショックパルスの振幅、波形、及びベクトルを定義する。したがって、メモリユニット９４は、特定の条件下でどの治療が最も効果的であるかを「学習する（learning）」のための手段としての役割を果たす。したがって、或る状態が繰り返される場合、メモリユニット９４はその状態を認識し、選択された治療を以前に使用された成功した治療に適合させることができる。
有利なことに、ＩＣＤ１０の動作パラメータは、テレメトリ回路１００を介して、プログラマ、トランステレフォニックトランシーバー、または診断システムアナライザなどの外部装置１０２とテレメトリ通信することによって、メモリユニット９４に非侵襲的にプログラムすることができる。テレメトリ回路１００は、制御信号１０６により、マイクロコントローラ６０によって起動される。テレメトリ回路１００は、有利なことに、（マイクロコントローラ６０またはメモリユニット９４に格納された）ＩＣＤ１０の動作に関連する心内電位図及び状態情報を、確立された通信リンク１０４を介して外部装置１０２に送信することを可能にする。また、テレメトリ回路１００は、外部プログラマからパラメータを受信し、マイクロコントローラ６０の動作を介してＨＳＰ回路１２０をプログラムするための手段としての役割を果たす。
外部装置１０２などの外部装置の例については、米国特許第４、８０９、６９７号明細書、同第４、９４４、２９９号明細書、及び、同第６、２７５、７３４号明細書を参照されたい（上記の各特許文献の内容は、参照により本明細書に援用されるものとする）。
メモリユニット９４はまた、ＨＳＰ回路１２０に接続される。このように、ＨＳＰ回路１２０は、メモリユニット９４からデータを受信し、データ上の信号処理機能を実行し、処理されたデータをメモリユニット９４に戻すように構成される。このような動作は、一般的に、マイクロコントローラ６０の動作によってプログラムされ、制御される。換言すれば、マイクロコントローラ６０は、ＨＳＰ回路１２０の内部パラメータを再設定し、それによってＨＳＰ回路１２０の処理機能を変更することができる。このように、マイクロコントローラ６０は、一般的な動作機能を実行するための一般的な処理手段としての役割を果し、ＨＳＰ回路１２０は、再設定可能な信号処理回路としての役割を果たす。
ＩＣＤ１０は、心臓機能の変化、または心臓の生理学的状態の変化を検出するために使用できる生理学的センサ１０８をさらに含む。したがって、マイクロコントローラ６０は、様々なペーシングパラメータ（振幅、ペーシングレート、ＡＶ遅延、ＲＶ－ＬＶ遅延、Ｖ－Ｖ遅延など）を調節することによって応答することができる。マイクロコントローラ６０は、例えば、心房パルス発生器７０及び心室パルス発生器７２によって発生される刺激パルスを制御することによってペーシングパラメータを調節する。生理学的センサ１０８は、ＩＣＤ１０内に含まれるように示されているが、ＩＣＤ１０の外部に存在してもよく、その場合は、患者に植え込んでもよいし、または患者が携帯してもよいことを理解されたい。より具体的には、生理学的センサ１０８は、ＩＣＤ１０の内部、ＩＣＤ１０の表面、ＩＣＤ１０のヘッダ、またはリード（リードは、血流内または血流外に配置することができる）に配置することができる。
ＩＣＤ１０は、マイクロコントローラ６０に接続された磁石検出回路（図示せず）をさらに含むことができる。磁石検出回路は、磁石がＩＣＤ１０上に配置されたことを検出する。臨床医は、磁石を使用して、ＩＣＤ１０の様々な試験機能を実行することができる。また、臨床医は、磁石を使用して、テレメトリ回路１００を介してマイクロコントローラ６０との間でデータを送受信するための外部装置１０２（例えば、プログラマ）が適所に配置されていることをマイクロコントローラ６０に伝えることができる。
また、図２Ａに示すように、ＩＣＤ１０は、制御信号１１４を介してマイクロコントローラ６０によって有効にされるインピーダンス測定回路１１２をさらに含む。インピーダンス測定回路１１２の既知の用途には、これに限定しないが、例えば、適切なリードの位置決めまたは取り外しのための、急性期及び慢性期の期間中のリードインピーダンスのモニタリング、脱離が発生した場合における、動作可能な電極の検出及び動作可能な電極対への自動的な切り替え、呼吸または分時換気量の測定、ショック閾値を決定するための胸部インピーダンスの測定、装置が植え込まれたことの検出、１回拍出量の測定、及び、心臓弁の開放の検出が含まれる。インピーダンス測定回路１１２は、有利なことに、任意の所望の電極を使用することができるようにスイッチブロック７４に接続されている。インピーダンス測定回路１１２はまた、ＨＳＰ回路１２０に接続され、インピーダンス測定回路１１２からの出力はＨＳＰ回路１２０で処理され、メモリユニット９４に格納される。インピーダンス測定回路１１２は、本発明にとって重要ではなく、完全性のためだけに示されている。
ＩＣＤ１０が、心臓除細動器、ペースメーカ、または除細動器として動作することを意図している場合、ＩＣＤは、不整脈の発生を検出し、検出された不整脈を停止させることを目的とした適切な電気療法を心臓に自動的に適用しなければならない。この目的のために、マイクロコントローラ６０は、制御信号１１８によってショック回路１１６をさらに制御する。ショック回路１１６は、マイクロコントローラ６０によって制御され、低エネルギー（最大約０．５ジュール）、中程度のエネルギー（約０．５～１０ジュール）、または高エネルギー（約１１～４０ジュール）のショックパルスを生成する。このようなショックパルスは、少なくとも２つのショック電極（例えば、左心房コイル電極２８、ＲＶコイル電極３６、及びＳＶＣコイル電極３８から選択される）を介して患者の心臓１２に加えられる。上述したように、ハウジング４０は、ＲＶコイル電極３６と組み合わせてアクティブ電極として、または、ＳＶＣコイル電極３８または左心房コイル電極２８を使用する（すなわち、ＲＶ電極を共通電極として使用する）分割電気ベクトルの一部としての役割を果たすことができる。
心臓除細動器ショックは一般的に、（患者が感じる痛みを最小限に抑えるために）低度～中等度のエネルギーレベルでＲ波と同期して行うべきであると考えられており、頻脈の治療に関連する。除細動ショックは一般的に、中等度～高度のエネルギーレベル（すなわち、約５～４０ジュールの範囲の閾値に対応する）で、非同期的に行われ（Ｒ波は無秩序すぎて認識できないため）、もっぱら細動の治療に関連する。したがって、マイクロコントローラ６０は、ショックパルスの同期または非同期送達を制御することができる。
ＩＣＤ１０は、図２Ａに示したすべての回路を含む負荷に動作電力を提供するバッテリ１１０をさらに含む。
ハイブリッド信号処理回路
本開示の実施形態は、アナログフィルタリング回路を使用して感知されたデータをフィルタリングするＩＭＤにおけるいくつかの欠点を克服する。アナログフィルタリング回路は、カスタム集積回路（ＩＣ）に統合された抵抗器及びコンデンサの有限の組み合わせに基づいており、非常に低い電力を使用する。アナログフィルタのプログラム可能な周波数応答は、所望の周波数応答に最も一致する抵抗及びコンデンサの組み合わせを選択することによって達成される。カスタムＩＣが、特定の周波数応答を有するように調節されており、その後に応答周波数を変更する必要がある場合、抵抗器及びコンデンサの構成をＩＣ回路上で変更するという、ＩＣまたは関連回路のコストのかかる変更を行う必要がある。本開示の実施形態では、フィルタの周波数応答を決定するプログラム可能な係数を有するデジタルフィルタリングを使用する。係数は、アプリケーションに基づいてプログラムすることができ、これにより、所望の周波数応答におけるより大きな変更に対応できる。
本開示の実施形態は、従来のデジタルフィルタ回路を使用して感知されたデータをフィルタリングするＩＭＤにおけるいくつかの欠点を克服する。デジタルフィルタ回路は、任意の周波数応答を達成することができない。デジタルフィルタリング回路の周波数応答は、フィルタリングする各データ値を定義するために使用されるデジタルビット数によって、決定（及び制限）される。フィルタによって処理されるデジタルビットの数が多いほど、フィルタ処理されるデータの数値精度が高くなる。フィルタのデジタルビット（及び精度）の数が増加すると、フィルタ内の数値表現（例えば、８ビット、１６ビット、３２ビットワード）に起因して、デジタルフィルタ構造のサイズは大きくなる。また、デジタルフィルタリング回路の周波数応答は、フィルタ構造のタイプまたはクラスによって決定（及び制限される）。様々なクラスのフィルタ構造を使用することができる。
本開示の実施形態によれば、フィルタは、２つのプライマリクラス、すなわち、一次フィルタ及び高次フィルタ（例えば、１より大きい任意のフィルタ次数のフィルタ）を組み合わせて、生理学的データをフィルタリングするように構成されたハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路を形成する。ＨＳＰ回路は、複数の１次フィルタと、複数の高次フィルタと、１次フィルタ及び高次フィルタの組み合わせを相互接続してハイブリッドデジタルフィルタを形成するように構成されたスイッチマトリクスとを含む。ハイブリッドデジタルフィルタは、選択された電力要求量以下を使用して、選択された複合周波数応答を提供するように構成される。
高次フィルタは、１または複数の選択された次数のデジタルフィルタを含む。例えば、高次デジタルフィルタは、２次再帰型フィルタ（双二次フィルタまたはバイカッドフィルタとも称される）であるデジタルフィルタアーキテクチャを含み得る。任意選択で、２次よりも高次のフィルタを使用してもよい。加えてまたは代替的に、２次よりも大きい高次フィルタは、複数の２次双２次フィルタをカスケード接続することによって形成することができる。加えてまたは代替的に、複数のバイカッドフィルタをカスケード接続することにより、ローパス、ハイパス、バンドパス、及びバンドストップ周波数応答を生成することができる。バイカッドフィルタがどのようにして実施されるかに応じて、各バイカッドフィルタは、４、５、またはそれ以上の乗算器、及び、４またはそれ以上の加算器を有し得る。本開示の実施形態によれば、少なくともいくつかのＩＭＤ用途について、８～１６ビットのデータチャネル幅を使用して、十分な数値精度及び信号分解能を達成することができる。８～１６ビットのデータチャネル幅を使用する場合、バイカッドフィルタは比較的大きな構造になり得る。フィルタ構造のサイズが大きいほど、その動力としての消費電力は大きくなり、消費電力は、動作中にフィルタ内でスイッチ／トグルされるノードの数に比例する。
図２Ｂは、本開示の実施形態にしたがって形成されたバイカッドフィルタ２００を示す。図２Ｂのフィルタ２００は、入力信号に、対応する係数（ｓ０、ｂ１、ｂ２、ａ１、ａ２）を乗算する乗算器２０２～２０６のグループを含む。係数は、整数または非整数であり得る。フィルタ２００はまた、加算器２１０～２１３のグループと、記憶部２１５～２１８とを含む。図２Ｂのフィルタ２００は、データチャネルの１ビットに対応し、したがって、データチャネルの各追加ビット毎に繰り返される。フィルタ２００は、フィルタを形成するために使用される論理ゲートの数に依存する２次元（２Ｄ）表面積を有する。２Ｄ表面積は、バイカッドフィルタ内の基本論理ゲート数を計算する下記の式１によって定義することができる。下記の式中のｗは、データチャネル幅（例えば、８ビット、１６ビット、３２ビット）を表す。
Ａ（ｗ）＝２５ｗ＾２＋２０（ｗ＋１）＋２４ｗ （式１）
第１項の係数（２５）は、データチャネルの１ビットについてのバイカッドフィルタ内の乗算器２０２～２０６に起因する面積成分を表す。本実施例では、キャリー・リップル乗算器構造を、各全加算器に対して、５つの乗算器論理部×５つの論理ゲートで使用することができる（例えば、５×５）。第２項の係数（２０）は、１データチャネルについての加算器２１０～２１３の論理ゲートに起因する面積成分を表す。例えば、各全加算器に対して、バイカッドフィルタは、４つの加算器×５つの論理ゲートを含む。最後の項の係数（２４）は、記憶部２１５～２１８に起因する面積成分を表す。本実施例では、データチャネルの１ビットに対して、記憶部２１５～２１８毎に６つの論理素子が設けられている。
デジタルフィルタ２００の電力要求量は、デジタルフィルタのサイズに比例する。例えば、電力要求量は、状態をトグルするノードの数、及び、デジタルフィルタ２００がノード状態をトグルする周波数に正比例する。ＩＭＤでは、デジタルフィルタ２００の回路内の論理ゲートの数が増加すると、電力消費も同様に増加し、これにより、ＩＭＤの寿命が短くなる。このように、フィルタ複雑性と、電力要求量／電力消費との間にトレードオフが存在する。
本開示の実施形態によれば、８～１２ビットのデータチャネル幅を使用し、用途に応じて２５０～５０００Ｈｚの一般的なノードスイッチング状態周波数を有する感知回路が提供される。任意選択で、データチャネル幅は、追加の信号ヘッドルームに適合するために、フィルタ内で８～１２ビット以上を使用してもよい。下記の表１は、バイカッドフィルタについての、表１に記されたデータチャネル幅及びスイッチング状態周波数に基づく面積及び電力要求量／電力消費のいくつかの非限定的な例を示す。表１では、電力消費の推定値は、フィルタリング回路内の論理ゲートの５０％が、表１に記された周波数でトグルされているという仮定に基づいている。さらに、表１は、論理ゲート毎の、メガヘルツ当たりの特定の電力消費（例えば、２０ｎＷ／ＭＨｚ）を仮定している。論理ゲート毎に他の消費電力量を使用してもよいことを理解されたい。
Figure 0007189210000001
本開示の実施形態によれば、複数のバイカッドフィルタを互いに接続することにより、選択複合周波数応答を生成することができる。チャネルの数が増加すると、フィルタの物理的サイズ及び電力要求量も増加する。例えば、一般的な心調律管理アプリケーションの場合、各感知チャネルは、３つのバイカッドフィルタを使用し得る。したがって、デュアルチャンバＩＭＤは、２５０Ｈｚで動作する合計６つのバイカッドフィルタを使用し得る。
上記の（式１）に示すように、最大サイズの係数は、乗算成分である。もし、この乗算成分が減少または除去されると、面積及び電力要求量は大幅に減少する。本開示の実施形態によれば、明示的な乗算器を必要としない一次フィルタのクラスが使用される。例えば、本開示の実施形態は、整数フィルタを１次フィルタとして使用し得る。整数フィルタは、バイカッドフィルタなどの高次フィルタと比較して、物理的にはるかに小さく、かつより低い電力を必要とする。整数フィルタの欠点は、該フィルタが一般的にローパス周波数範囲またはハイパス周波数範囲のいずれかの専用に設計され、比較的狭い減衰許容範囲を有する周波数応答に容易にプログラムできないことである。整数フィルタでは、乗算演算は、乗算成分を明示的に使用せず、データシフトを使用して実行される。その結果、整数フィルタの係数は、２の累乗、または２の累乗の加算／減算に限定される。
図２Ｃは、本開示の実施形態による１次ハイパスフィルタとして設計された整数フィルタ２３０の構成例を示す。図２Ｄは、本開示の実施形態による１次ローパスフィルタとして設計された整数フィルタ２５０の構成例を示す。整数フィルタ２３０は、シフト部２３２～２３３と、加算器２４０～２４２と、記憶部２４５とを含む。整数フィルタ２５０は、シフト部２５２～２５５と、加算器２６０～２６３と、記憶部２６５とを含む。図２Ｃ及び図２Ｄは乗算器を示す論理記号を含むが、代表的な乗算演算は、対応する係数（－ａ、－ｂ、－（ａ＋１））によって定義される量による２進小数点の算術シフトとしてのシフト部２５２～２５５によって実行されることを理解されたい。例えば、係数が－１である場合、対応するシフト部は、２つの演算による除算に対応して、２進小数点を左側に１つシフトする。係数が２の場合、対応するシフト部は、４の演算による乗算に対応して、２進小数点を右側に２つシフトする。フィルタ２３０及びフィルタ２５０は、データチャネルの１ビットに対応し、したがって、データチャネル幅内の追加ビット毎に繰り返される。
図２Ｃ及び図２Ｄに示すような整数フィルタ構成の場合、ハイパスフィルタ及びローパスフィルタの２次元面積を推定するために、下記の式２を使用することができる。フィルタの同等の次数を比較するために、下記の式２では、カスケード接続された２つのフィルタを想定している。
Ａ（ｗ）＝４０（ｗ＋１）＋１２ｗ （式２）
上記の式２では、バイカッドフィルタまたは高次フィルタなどの乗算器論理部に起因する係数は存在しない。第１項の係数（４０）は、１つのデータチャネルについての加算器（２４０～２４２または２６０～２６３）からの論理ゲートに起因する面積成分を表す。最後の項の係数（１２）は、記憶部（２４５または２６５）に起因する面積成分を表す。
表２は、表２に記されたデータチャネル幅及びスイッチング状態周波数に基づく整数フィルタの面積及び電力消費の非限定的な例を示す。表２では、電力消費の推定値は、フィルタリング回路内の論理ゲートの５０％が、表２に記された周波数でトグルされるという仮定に基づいている。さらに、表２は、論理ゲート毎の、メガヘルツ当たりの特定の電力消費（例えば、２０ｎＷ／ＭＨｚ）を仮定している。論理ゲート毎に他の消費電力量を使用してもよいことを理解されたい。
Figure 0007189210000002
表１及び表２の数値はおおよその例であり、いかなる態様においても限定されないことを理解されたい。表１と表２とを比較すると、バイカッドフィルタの代わりに整数フィルタ（可能であれば）を使用すると、大幅な電力節約が達成されることが分かる。例えば、２５０Ｈｚで動作するバイカッドフィルタの代わりに、１６ビット整数フィルタを使用した場合、電力は９０％以上低減する（２ｎＷ対２０ｎＷ）。例えば、１０００Ｈｚで動作する同等のバイカッドフィルタの代わりに、１２ビット整数フィルタを使用した場合、電力は８５％低減する（６ｎＷ対４０ｎＷ）。
図２Ｅは、ローパスデジタルフィルタが示す周波数振幅応答２８０の一例を示す。周波数振幅応答２８０は、縦軸に沿った減衰（０から－２０ｄＢ）及び横軸に沿った周波数をプロットする。周波数振幅応答２８０は、フィルタが入力信号をほとんど減衰させない通過帯域２８２を有する。周波数振幅応答２８０は、フィルタが入力信号を阻止帯域２８６に達するまで徐々に減衰させる遷移領域２８４を有する。通過帯域２８２と遷移領域２８４との遷移点を、カットオフ周波数ｆｃと称する。阻止帯域２８６の周波数は、予め定められた量（例えば、－２０ｄＢ）まで減衰される。
図４は、例えば図２Ｄの１次ローパスフィルタ２５０で使用される係数ａの３つの連続した値（例えば、１、２、３）に対する、可能性のある様々なローパスフィルタ周波数応答４０１～４０３の例を示す。図４の例では、非常に狭い通過帯域４１０（例えば、１～３Ｈｚ）が設けられ、それに続いて比較的広い遷移領域４１２（例えば、３～１２０Ｈｚ）が設けられ、それに続いて阻止帯域４１４（例えば、１２０Ｈｚよりも大きい）が設けられる。図４に示すように、遷移領域は比較的広い周波数範囲にわたって延在し、比較的小さい減衰率で遷移する。遷移領域４１２内では、周波数応答４０１の減衰率は、周波数応答４０２、４０３の減衰率と比較して、より急な勾配（より大きな負の傾き）を有する。例えば、周波数応答４０１は、３～５５Ｈｚの周波数範囲において０～－１６ｄＢの減衰を示す。３～５５Ｈｚの周波数範囲において、周波数応答４０２及び４０３は、それぞれ約－１３ｄＢ及び９ｄＢの減衰を示す。さらに、周波数応答４０２及び４０３は、１２０Ｈｚの周波数を超えても－２０ｄＢの減衰を達成しない。１２０Ｈｚでは、周波数応答４０１～４０３は、互いに異なる減衰レベル、すなわち、それぞれ約－２０ｄＢ、－１７ｄＢ及び１３ｄＢの減衰を示す。フィルタ伝達関数の係数ａを単一の整数値だけ増加させると、周波数応答４０１～４０３の特性（例えば、減衰率、遷移領域の長さ、阻止帯域のカットオフ周波数）が変化する。図４に示すように、ローパスカットオフ周波数、減衰率、遷移領域の長さ、阻止帯域のカットオフ周波数などの特性はプログラム可能であるが、高次のデジタルフィルタが示す周波数応答特性に比べるとやや粗くなる。
整数フィルタは、周波数応答の特性を定義するときに整数係数のみを使用すると仮定すれば、狭い許容範囲を有する２つの周波数応答特性を示すように容易にプログラムすることができない。フィルタが整数係数を使用するように限定することにより、周波数応答の使用可能な特性を限定することができる。
本開示の実施形態によれば、高次フィルタを１次フィルタとカスケード接続して、個々のフィルタ係数の畳み込みによって決定される複合周波数応答を形成するハイブリッド信号処理回路が構成される。畳み込みは、個々のフィルタのハイパスカットオフ周波数及びローパスカットオフ周波数をシフトさせて、複合ハイパスカットオフ周波数及び複合ローパスカットオフ周波数を形成する。本発明のハイブリッド信号処理回路は、広範囲のフィルタリングには粗い整数フィルタを使用し、周波数の微調整には高次フィルタを使用し、これにより、整数フィルタと高次フィルタとの組み合わせから複合周波数応答を生成する。整数フィルタと高次フィルタとの組み合わせは、高次フィルタのみを使用するフィルタシステムよりも低い電力要求量を示す。
図３は、本明細書の一実施形態にしたがって形成されたＨＳＰ回路３００を示す。ＨＳＰ回路３００は、複数の１次フィルタ３０２、３０４と、複数の高次フィルタ３０６とを含む。例えば、１次フィルタ３０２は、対応するローパスフィルタ周波数範囲（ＬＰＦ～ＬＰＦｎで示す）が互いに異なるように構成される。１次フィルタ３０４は、対応するハイパス周波数範囲（ＨＰＦ１～ＨＰＦｎで示す）が互いに異なるように構成される。高次フィルタ３０６は、対応する通過帯域（ｂｉｑｕａｄ１～ｂｉｑｕａｄ３で示す）が互いに異なるように構成される。
ＨＳＰ回路３００は、１次フィルタ及び高次フィルタ３０２～３０６の様々な組み合わせを選択的にかつ再構成可能に相互接続するスイッチマトリクス３０８を含む。スイッチマトリクス３０８は、データ入力３１０及びデータ出力３１２を含む。データ入力３１０は、Ａ／Ｄ変換器、感知回路、及び／またはメモリなどの様々なソースからデジタル化された生理学的データを直接受信する。データ出力３１２は、処理された（例えば、フィルタ処理された）生理学的データを、メインプロセッサ、メモリ、トランシーバなどのＩＭＤ内の様々な他の回路に供給する。
スイッチマトリクス３０８は、データ入力３１０から受信した生理学的データをダウンサンプルまたはアップサンプルするように構成されたサンプルレートコンバータを含む。例えば、不整脈エピソードに関連する生理学的データの連続的記録を格納する場合には、データ速度を減少させるために入力データをダウンサンプルさせることが望ましい。別の例として、生理学的データ内の関心のある特徴を分析する場合には（例えば、データ中のセグメントの形状または形態の分析、データ中のピークまたは谷の分析など）、データ速度を増加させるために入力データをアップサンプルすることが望ましい。
本明細書に記載されるように、ＨＳＰ回路３００は、標準的なフィルタアーキテクチャと比較して大幅に低い電力消費で選択周波数応答を達成するために、様々なフィルタを相互接続することができる再構成可能なネットワークを提供する。スイッチマトリクス３０８は、生理学的データを、任意の数の使用可能な１次フィルタ及び／または高次フィルタ３０２～３０６に供給すること、並びに、１次フィルタ及び／または高次フィルタ３０２～３０６の出力を、他の１次及び／または高次フィルタ３０２～３０６の入力またはマトリクスデータ出力３１２に供給することを可能にする。
本開示の実施形態によれば、スイッチマトリクス３０８は、一般的な形態の１次及び／または高次フィルタ３０２～３０６の組み合わせをスケードされた順序で相互接続される。使用されない一次及び／または高次のフィルタ３０２～３０６は、スイッチング状態ではなく、したがって電力を消費しない。生理学的データは、一次及び／または高次フィルタ３０２～３０６の選択された組み合わせを用いてフィルタリングされる。１次フィルタ３０２、３０４は低電力の粗フィルタ（ローパスまたはハイパスのいずれか）として構成することができ、一方、高次フィルタ３０６は高電力の微調整バイカッドフィルタとして構成することができる。フィルタ３０２～３０６の各タイプの数は、ＩＭＤ内のアプリケーション及び使用可能領域に応じて変更してもよいことを理解されたい。
スイッチマトリクス３０８は、選択複合周波数応答を有するハイブリッドフィルタを形成するために、ローパス整数フィルタ、ハイパス整数フィルタ、及び双二次フィルタの少なくとも一部をカスケード方式で相互接続する。スイッチマトリクス３０８は、選択複合周波数応答を形成するために、複数の１次フィルタ３０２、３０４及び複数の高次フィルタ３０６の少なくとも一部をカスケード方式で接続するように構成される。スイッチマトリクス３０８は、選択された電力要求量以下を使用するハイブリッドデジタルフィルタを定義するために、複数の１次フィルタ３０２、３０４及び複数の高次フィルタ３０６の少なくとも一部をカスケード方式で接続するように構成される。スイッチマトリクス３０８は、１次フィルタ３０２、３０４のうちの少なくとも１つと、高次フィルタ３０６のうちの少なくとも１つとを、加算方式または減算方式のいずれかの方式で相互接続して、選択複合周波数応答を形成するように構成される。高次フィルタのうちの少なくとも１つは、広帯域ローパスフィルタとして構成され、１次フィルタのうちの少なくとも１つは、狭帯域ローパスフィルタとして構成される。狭帯域ローパスフィルタは、広帯域ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも低いカットオフ周波数を有する。
図５は、一次フィルタと高次フィルタとの選択された組み合わせをカスケード方式で相互接続することにより構成することができるハイブリッドフィルタの一例のブロック図を示す。図５を参照して、入力信号ｘ（ｎ）が、ローパスフィルタ５０２に供給される。ローパスフィルタ５０２は、伝達関数ＬＰＦ（ｎ）に基づいて定義される周波数応答を有する。グラフ５０６は、カットオフ周波数５１０までの通過帯域５０８を有する伝達関数ＬＰＦ（ｎ）の一例を示す。遷移領域５１２は、カットオフ周波数５１０の後側に存在する、阻止帯域５１４に至るまでの領域である。周波数応答は、遷移領域５１２に沿って比較的狭い許容範囲及び比較的大きい／急な勾配を示す予め定められた割合で増加する減衰を示す。例えば、ローパスフィルタ５０２は、より高次のフィルタ（例えば、図３の３０６）及び／またはより高次のフィルタのカスケード組み合わせによって実施してもよい。関心のある減衰特性が、１次フィルタでは定義されない比較的大きな／急な傾斜のような比較的狭い許容範囲を示す場合には、高次フィルタを使用してローパスフィルタ５０２の周波数応答を定義することが望ましい。
ローパスフィルタ５０２の出力は、伝達関数ＨＰＦ（ｎ）に基づいて定義される周波数応答を有するハイパスフィルタ５０４への入力として供給される。グラフ５１６は、カットオフ周波数５２０の後に通過帯域５１８を有する伝達関数ＨＰＦ（ｎ）の一例を示す。遷移領域５２２が、カットオフ周波数５２０の前側に存在し、阻止帯域５２４が遷移領域５２２の前側に存在する。周波数応答は、遷移領域５２２に沿って比較的広い許容範囲及び比較的小さい／緩やかな傾斜を示す減衰率で増加する減衰を示す。ハイパスフィルタ５０４の遷移領域５２２内の減衰率は、ローパスフィルタ５０２の遷移領域５１２内の減衰率よりも小さいかまたは緩やかである。例えば、ハイパスフィルタ５０４は、１次フィルタ（例えば、図３の３０４）及び／または１次フィルタのカスケード組み合わせによって実施してもよい。関心のある減衰特性が、１以上の１次フィルタによって定義される比較的緩やかな傾斜などの比較的広い許容範囲を示す場合には、１次フィルタを使用してハイパスフィルタ５０４の周波数応答を定義することが望ましい。
ハイパスフィルタ５０４の出力ｙ（ｎ）は、バンドパスフィルタに対応する複合周波数応答を有する。グラフ５２６は、下側遷移領域５３０と上側遷移領域５３２との間に通過帯域５２８を有する伝達関数ｙ（ｎ）の一例を示す。下側遷移領域５３０の前側には阻止帯域５３４が存在し、上側遷移領域５３２の後側には阻止帯域５３８が存在する。通過帯域５２８は、下側カットオフ周波数５４０及び上側カットオフ周波数５４２によって境界付けされる。下側遷移領域５３０内の減衰率は、グラフ５１６のハイパスフィルタの遷移領域５２２内の減衰率によって定義される減衰率（または、それと実質的に同様の減衰率）を有する。上側遷移領域５３２内の減衰率は、グラフ５０６のローパスフィルタの遷移領域５１２内の減衰率によって定義される減衰率（または、それと実質的に同様の減衰率）を有する。複合周波数応答の遷移領域５３０及び５３２内の減衰の形状は、一部分にはローパスフィルタ５０２及びハイパスフィルタ５０４の畳み込みに起因して、遷移領域５１２及び５２２内の減衰の形状から変化し得ることを理解されたい。加えてまたは代替的に、本実施例では、グラフ５０６、５１６、５２６内の各セグメントの周波数応答は比較的線形として示しているが、対応する各セグメントの周波数応答は、代替的な非線形形状であってもよいことを理解されたい。
上述の例は、１次フィルタと高次フィルタとをカスケード方式で相互接続するスイッチマトリクス（例えば、図３の３０８）について説明している。加えてまたは代替的に、スイッチマトリクスは、対応する第１及び高次フィルタからの出力信号を互いに減算及び／または加算することによって、第１フィルタと高次フィルタとを相互接続してもよい。ローパスフィルタ５０２は、１以上の１次フィルタによって形成してもよい。また、ハイパスフィルタ５０４も、１以上の高次フィルタによって形成してもよい。加えてまたは代替的に、１以上のハイパスフィルタ５０４及びローパスフィルタ５０２は、１次フィルタ及び高次フィルタの組み合わせによって形成してもよい。
図６は、第１のフィルタと高次のフィルタとの選択された組み合わせを、それらの間の出力信号の減算及び／または加算によって相互接続することによって構成することができるハイブリッドフィルタの一例のブロック図を示す。図６を参照して、入力信号ｘ（ｎ）が、狭帯域ローパスフィルタ６０２及び広帯域ローパスフィルタ６０４に並列に供給される。狭帯域ローパスフィルタ６０２は伝達関数ＬＰＦＮ（ｎ）に基づいて定義される周波数応答を有し、広帯域ローパスフィルタ６０４は伝達関数ＬＰＦＷ（ｎ）に基づいて定義される周波数応答を有する。
グラフ６０６は、伝達関数ＬＰＦＮ（ｎ）の例を示し、グラフ６１６は、伝達関数ＬＰＦＷ（ｎ）の一例を示す。グラフ６０６は、グラフ６１６の通過帯域６１８と比較して、より狭い通過帯域６０８を有する。グラフ６０６は、グラフ６１６の遷移領域６２２の周波数応答の第２の減衰特性と比較して、第１の減衰特性（例えば、第１の比較的小さい減衰率）を示す遷移領域６１２上の周波数応答を有する。遷移領域６２２の第２の減衰特性は、第２の比較的大きい減衰率を有する。
狭帯域ローパスフィルタ６０２からの出力信号は、広帯域ローパスフィルタ６０４の出力信号から減算され、それにより、グラフ６２６に示すように、関心のある複合周波数応答を有する出力信号が形成される。グラフ６２６は、下側遷移領域６３０が先行し上側遷移領域６３２が後続する通過帯域６２８を示す。通過帯域６２７は、グラフ６０６、６１６のカットオフ周波数６１０、６２０にほぼ相当するカットオフ周波数６４０及び６４２を有する。グラフ６２６の複合周波数応答は、狭帯域ローパスフィルタ６０２及び広帯域ローパスフィルタ６０４について、それぞれ、遷移領域６１２、６２２内の減衰特性に実質的に相当する、上側遷移領域６３２及び下側遷移領域６３０における減衰特性を示す。
狭帯域ローパスフィルタ６０２は、１以上の１次フィルタによって形成してもよい。また、広帯域ローパスフィルタ６０４も、１以上の高次フィルタによって形成してもよい。加えてまたは代替的に、狭帯域ローパスフィルタ６０２及び広帯域ローパスフィルタ６０４のうちの１以上は、１次フィルタ及び高次フィルタの組み合わせによって形成してもよい。
本開示の実施形態によれば、ＨＳＰ回路は、従来のシステムと比べて、様々な利点を提供する。一例として、ＨＳＰ回路の少なくともいくつかの実施形態は、ＨＳＰ回路３００を或る特定のフィルタのクラス／次数に制限することによって性能を犠牲にしない。例えば、或るクラスのフィルタ（例えば。バイカッドフィルタ）のみを使用すると、所望のフィルタ性能を提供することができるが、フィルタ力率を超える恐れがある。反対に、１次整数フィルタのみを使用すると、所望のフィルタ力率を提供することができるが、周波数応答プログラム可能性を制限することになる。全体的な所望のフィルタ特性（例えば、周波数応答と力率）に応じて、本開示の実施形態は、高解像度フィルタ、低解像度フィルタ、低電力フィルタ、及び高電力フィルタのハイブリッド型フィルタを提供する。高分解能高電力フィルタは、所望の通過帯域を達成するために微細なフィルタリングを提供し、低分解能低電力フィルタは、非常に低い電力コストで粗い阻止帯域フィルタリングを提供する。
本開示の実施形態によれば、ＨＳＰ回路は、特定のネットワークから電力及び機能を選択するための複数の実施態様の選択をサポートし、したがって、１つのクラスのフィルタのみで形成された集積回路におけるコストのかかる変更の必要性が低減する。
図７は、本開示の実施形態にしたがって感知された信号を処理するためのフローチャートを示す。ステップ７０２では、上述したように、生理学的データが、植込み型医療装置の電極及び感知回路で感知される。ステップ７０２では、生理学的データは、信号処理動作を実行するために、ＨＳＰ回路１２０などのＨＳＰ回路に提供される。加えてまたは代替的に、生理学的データは、メモリユニット９４、マイクロコントローラ６０、テレメトリ回路などから受信してもよい。
ステップ７０４では、本方法は、選択複合周波数応答と、ＨＳＰ回路が超えてはならない選択電力要求量とを定義する。選択複合周波数応答及び／または電力要求量は、自動的にまたは手動で決定してもよい。例えば、定義の作業は、整数係数を使用して整数フィルタをプログラムして、ＨＳＰ回路内の複数の１次フィルタを定義することを含み得る。
加えてまたは代替的に、定義の作業は、ＨＳＰ回路内の複数の高次フィルタとして２次再帰的デジタルフィルタを提供することを含み得る。加えてまたは代替的に、定義の作業は、様々な対応する周波数通過帯域またはカットオフ周波数を有する双二次デジタルフィルタを、高次フィルタとして構成することを含み得る。加えてまたは代替的に、定義の作業は、複数の１次フィルタを、様々な対応するローパス周波数範囲を有するローパス整数フィルタとして構成すること、及び、様々な対応するハイパス周波数範囲を有するハイパス整数フィルタとして構成することを含み得る。そして、ローパス整数フィルタ、ハイパス整数フィルタ、及び双二次フィルタの少なくとも一部をカスケード接続することにより、選択複合周波数応答を有するハイブリッドフィルタを構成することができる。任意選択で、定義の作業は、複数の１次フィルタを、様々な対応するローパス周波数範囲を有するローパス整数フィルタとして、及び、様々な対応するハイパス周波数範囲を有するハイパス整数フィルタとして構成することを含み得る。そして、ローパス整数フィルタ、ハイパス整数フィルタ、及び双二次フィルタの少なくとも一部を加法的または減法的に相互接続することにより、選択複合周波数応答を有するハイブリッドフィルタを構成することができる。任意選択で、定義の作業は、複数の１次フィルタのうちの少なくとも１つの周波数応答と、複数の高次フィルタのうちの少なくとも１つの周波数応答との畳み込みに基づいて選択複合周波数応答を定義することを含み得る。任意選択で、定義の作業は、高次フィルタのうちの少なくとも１つを広帯域ローパスフィルタとして構成し、１次フィルタのうちの少なくとも１つを、広帯域ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも低いカットオフ周波数を有する狭帯域ローパスフィルタとして構成してもよい。任意選択で、定義の作業は、高次フィルタのうちの少なくとも１つを、対応する遷移領域において第１の減衰率を示す周波数応答を有するように構成し、第１の次数フィルタのうちの少なくとも１つを、対応する遷移領域において、第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率を示す周波数応答を有するように構成してもよい。
ステップ７０６では、本明細書で説明した１以上のプロセッサは、選択複合周波数応答を有するようにし、かつ選択電力要求量以下を使用するために、ハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路に構成命令を提供する。例えば、ＨＳＰ回路は、マイクロコントローラ６０からの構成命令に基づいて構成することができる。加えてまたは代替的に、ＨＳＰ回路は、テレメトリ回路１００において外部装置１０２から無線で受信した遠隔構成命令に基づいて構成してもよい。例えば、遠隔構成命令は、医師または他の管理者によって決定され、ＩＭＤに無線送信してもよい。
ステップ７０８では、ＨＳＰ回路は、受信した構成命令に基づいて、１次フィルタ及び高次フィルタの相互接続された組み合わせを再構成する。ａｇｅｓＰ回路は、複数の１次フィルタのうちの１以上の１次フィルタと、複数の高次フィルタのうちの１以上の高次フィルタとの組み合わせを相互接続する。
ステップ７１０では、ＨＳＰ回路は、選択された複合周波数応答を使用して生理学的データをフィルタリングし、フィルタリングされた生理学的データを提供する。ステップ７１２では、ＩＭＤは、フィルタリングされた生理学的データをＩＭＤ内のメモリに格納する。ステップ７１４では、ＩＭＤは、関心のある生理学的特徴について、フィルタリングされた生理学的データを処理する。ステップ７１６では、テレメトリ回路は、フィルタリングされた生理学的データを外部装置に無線送信する。
結びの言葉
図面を参照して広く説明及び図示された様々な構成及びプロセス、及び／またはそのような構成の１以上の個々の構成要素または要素、及び／またはそのようなプロセスに関連する１以上のプロセス動作は、本明細書に説明及び図示された１以上の他の構成要素、要素、及び／またはプロセス動作から独立して、またはそれらと一緒に使用できることを明確に理解されたい。したがって、様々な配置及びプロセスが本明細書において広く意図、説明、及び図示されているが、それらは単に例示的かつ非限定的な態様で提示されているだけであり、さらに、１以上の配置またはプロセスが機能または動作する可能性のある実施形態の単なる例と見なせることを理解されたい。
当業者には理解されるように、本開示の様々な態様は、システム、方法、またはコンピュータ（デバイス）プログラム製品として具現化され得る。したがって、本開示の実施態様は、完全にハードウェアの形態を取ってもよいし、本明細書においては「回路」、「モジュール」、または「システム」と総称されるハードウェア及びソフトウェアを含む形態を取ってもよい。さらに、本開示の実施態様は、コンピュータ（デバイス）可読プログラムコードが具現化された１以上のコンピュータ（デバイス）可読記憶媒体により具現化されるコンピュータ（デバイス）プログラム製品の形態を取り得る。
本明細書のユニット／モジュール／アプリケーションには、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、論理回路、及び、本明細書に記載の機能を実行することができる任意の他の回路またはプロセッサを使用するシステムを含む、任意のプロセッサベースまたはマイクロプロセッサベースのシステムが含まれ得る。加えてまたは代替的に、本明細書のモジュール／コントローラは、本明細書で説明される動作を実行する、関連する命令を備えたハードウェアとして実現され得る回路モジュール（例えば、コンピュータのハードドライブ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどの一時的でない有形のコンピュータ可読記憶媒体に格納されたソフトウェア、またはその均等物）であってもよい。上記の例は単なる例示であり、したがって、「コントローラ」という用語の定義及び／または意味を限定することを意図するものではない。本明細書のユニット／モジュール／アプリケーションは、データを処理するために、１以上の記憶要素に格納されている命令のセットを実行することができる。記憶要素はまた、所望または必要に応じて、データまたは他の情報を格納してもよい。記憶要素は、本明細書で説明されたモジュール／コントローラ内の情報源または物理的メモリ素子の形態であってもよい。命令セットは、本明細書に記載される主題の様々な実施形態の方法及びプロセスなどの特定の動作を実行するために、本明細書で説明されたモジュール／アプリケーションに命令する様々なコマンドを含み得る。命令のセットは、ソフトウェアプログラムの形式であってもよい。ソフトウェアは、システムソフトウェアやアプリケーションソフトウェアなどの様々な形態で提供され得る。さらに、ソフトウェアは、別個のプログラムまたはモジュールの組み合わせ、より大きなプログラム内のプログラムモジュール、または、プログラムモジュールの一部の形態であってもよい。ソフトウェアには、オブジェクト指向プログラミングの形態のモジュール式プログラミングも含まれ得る。処理機械による入力データの処理は、ユーザコマンドに応答してもよいし、以前の処理の結果に応答してもよいし、別の処理機械によって行われた要求に応答してもよい。
本明細書で説明される主題は、その用途において、本明細書及び図面に記載または図示された構成の詳細及び構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。本明細書で説明される主題は、他の実施形態が可能であり、かつ、様々な方法で実施または実行することが可能である。また、本明細書で使用される表現及び用語は、説明を目的とするものであり、限定と見なされるべきではないことを理解されたい。本明細書における「備える」、「含む」、または「有する」、及びそれらの変形の表現の使用は、その後に列挙されるアイテム及びその均等物、並びに追加のアイテムを包含することを意味する。
上述の説明は、説明を意図するものであり、限定を意図するものではないことを理解されたい。例えば、上述の各実施形態（及び／またはその態様）は、互いに組み合わせて使用してもよい。加えて、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を、本開示の実施形態の教示に適合させるために、様々な改変を行ってもよい。本明細書に記載された寸法、材料の種類、及びコーティングは、本開示の実施形態のパラメータを定義することを意図しており、限定を意図するものではなく、例示的な実施形態である。上記の説明に基づいて、他の様々な実施形態が当業者には明らかであろう。したがって、本開示の実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲が権利を有する均等物の全範囲とともに決定されるべきである。添付の特許請求の範囲では、「含む（including）」及び「その中で（in which）」という用語は、「備える」及び「そこで（wherein）」という用語の平易な英語の同等物として使用される。さらに、添付の特許請求の範囲では、「第１」、「第２」、及び「第３」などの用語は単にラベルとして使用され、それらの対象に数値要件を課すことを意図するものではない。

Claims (14)

  1. 植込み型医療装置（ＩＭＤ）であって、
    患者の生理学的特徴を示す生理学的データを感知して出力するように構成された感知回路と、
    少なくとも１つのプロセッサと、
    前記少なくとも１つのプロセッサに接続され、前記ＩＭＤ内で一般的な動作機能を実行するために前記少なくとも１つのプロセッサによって実行可能なプログラム命令及び処理されたデータを格納するメモリと、
    前記少なくとも１つのプロセッサ及び前記感知回路に接続され、前記生理学的データをフィルタリングするように構成されたハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路と、を備え、
    前記ハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路は、
    複数の１次フィルタと、
    複数の高次フィルタと、
    前記複数の１次フィルタの少なくとも１つの１次フィルタ及び前記複数の高次フィルタの少なくとも１つの高次フィルタの組み合わせを相互接続して、所望の電力要求量以下を使用する所望の複合周波数応答を有するハイブリッドデジタルフィルタを形成するように構成されたスイッチマトリクスと、を含み、
    前記複数の高次フィルタの前記少なくとも１つの高次フィルタは、広帯域ローパスフィルタとして構成され、前記複数の１次フィルタの前記少なくとも１つの１次フィルタは、前記広帯域ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも低いカットオフ周波数を有する狭帯域ローパスフィルタとして構成されることを特徴とする植込み型医療装置。
  2. 請求項１に記載の植込み型医療装置であって、
    前記１次フィルタは、整数係数を使用してプログラムされたデジタル整数フィルタを含むことを特徴とする植込み型医療装置。
  3. 請求項１または２に記載の植込み型医療装置であって、
    前記高次フィルタは、２次再帰型デジタルフィルタ、及び、その少なくとも一部が様々な対応する周波数通過帯域を有する双二次デジタルフィルタのうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする植込み型医療装置。
  4. 請求項３に記載の植込み型医療装置であって、
    前記１次フィルタは、様々な対応するローパス周波数範囲を有するローパス整数フィルタと、様々な対応するハイパス周波数範囲を有するハイパス整数フィルタとを含み、
    前記スイッチマトリクスは、前記ローパス整数フィルタ、前記ハイパス整数フィルタ、及び前記双二次デジタルフィルタの少なくとも一部をカスケード方式で相互接続して、前記所望の複合周波数応答を有する前記ハイブリッドデジタルフィルタを形成することを特徴とする植込み型医療装置。
  5. 請求項１～４のいずれかに記載の植込み型医療装置であって、
    前記スイッチマトリクスは、
    （ｉ）前記複数の１次フィルタ及び前記複数の高次フィルタの少なくとも一部をカスケード方式で相互接続して、前記所望の複合周波数応答を形成すること、
    （ｉｉ）前記複数の１次フィルタ及び前記複数の高次フィルタの少なくとも一部をカスケード方式で相互接続して、前記所望の電力要求量以下を使用する前記ハイブリッドデジタルフィルタを形成すること、及び、
    （ｉｉｉ）前記所望の複合周波数応答を形成するために、前記複数の１次フィルタの少なくとも１つと、前記複数の高次フィルタの少なくとも１つとを加算方式または減算方式で相互接続すること、
    のうちの少なくとも１つを実行するように構成されることを特徴とする植込み型医療装置。
  6. 請求項１～５のいずれかに記載の植込み型医療装置であって、
    前記高次フィルタの少なくとも１つは、対応する遷移領域において第１の減衰率を示す周波数応答を有するように構成され、
    前記１次フィルタの少なくとも１つは、対応する遷移領域において、前記第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率を示す周波数応答を有するように構成されることを特徴とする植込み型医療装置。
  7. 植込み型医療装置（ＩＭＤ）においてデータを処理する方法であって、
    複数の１次フィルタ及び複数の高次フィルタを含み、前記複数の１次フィルタの少なくとも１つの１次フィルタと前記複数の高次フィルタの少なくとも１つの高次フィルタとの組み合わせを相互接続することによって定義される所望の電力要求量以下を使用する所望の複合周波数応答を有するハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路を用意するステップと、
    感知回路で、患者の生理学的特徴を示す生理学的データを感知するステップと、
    前記所望の複合周波数応答を用いて前記ハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路で前記生理学的データをフィルタリングして、フィルタリングされた生理学的データを提供するステップと、
    前記複数の高次フィルタの前記少なくとも１つの高次フィルタを、広帯域ローパスフィルタとして構成し、かつ、前記複数の１次フィルタの前記少なくとも１つの１次フィルタを、前記広帯域ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも低いカットオフ周波数を有する狭帯域ローパスフィルタとして構成するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  8. 請求項７に記載の方法であって、
    前記フィルタリングされた生理学的データを処理または格納するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
  9. 請求項７または８に記載の方法であって、
    前記ハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路の前記複数の１次フィルタを定義するために、整数係数を使用して整数フィルタをプログラムするステップをさらに含むことを特徴とする方法。
  10. 請求項７～９のいずれかに記載の方法であって、
    前記ハイブリッド信号処理（ＨＳＰ）回路の前記複数の高次フィルタとして、２次再帰的デジタルフィルタを提供するステップ、及び、
    前記高次フィルタとして、様々な対応する周波数通過帯域またはカットオフ周波数を有する双二次デジタルフィルタを提供するステップのうちの少なくとも一方をさらに含むことを特徴とする方法。
  11. 請求項１０に記載の方法であって、
    （ｉ）前記複数の１次フィルタを、様々な対応するローパス周波数範囲を有するローパス整数フィルタと、様々な対応するハイパス周波数範囲を有するハイパス整数フィルタとして構成し、かつ、前記ローパス整数フィルタ、前記ハイパス整数フィルタ、及び前記双二次デジタルフィルタの少なくとも一部をカスケード方式で相互接続して、前記所望の複合周波数応答を有するハイブリッドデジタルフィルタを形成するステップ、及び、
    （ｉｉ）前記複数の１次フィルタを、様々な対応するローパス周波数範囲を有するローパス整数フィルタと、様々な対応するハイパス周波数範囲を有するハイパス整数フィルタとして構成し、かつ、前記ローパス整数フィルタ、前記ハイパス整数フィルタ、及び前記双二次デジタルフィルタの少なくとも一部を加算方式または減算方式で相互接続して、前記所望の複合周波数応答を有するハイブリッドデジタルフィルタを形成するステップのうちの少なくとも一方をさらに含むことを特徴とする方法。
  12. 請求項７～１１のいずれかに記載の方法であって、
    前記複数の１次フィルタの少なくとも１つの周波数応答と前記複数の高次フィルタの少なくとも１つの周波数応答との畳み込みに基づいて前記所望の複合周波数応答を定義するステップをさらに含む、ことを特徴とする方法。
  13. 請求項７～１２のいずれかに記載の方法であって、
    前記高次フィルタの少なくとも１つを広帯域ローパスフィルタとして構成し、
    前記１次フィルタの少なくとも１つを、前記広帯域ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも低いカットオフ周波数を有する狭帯域ローパスフィルタとして構成するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
  14. 請求項７～１３のいずれかに記載の方法であって、
    前記高次フィルタの少なくとも１つを、対応する遷移領域において第１の減衰率を示す周波数応答を有するように構成し、
    前記１次フィルタの少なくとも１つを、対応する遷移領域において、前記第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率を示す周波数応答を有するように構成するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
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