JP2010503448A - 差分電気生理学信号における接触アーティファクトの相殺 - Google Patents
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Abstract
本発明は、合成差分信号における雑音表現をモデル化するための参照入力を用いて、電気生理学信号の差分記録から局所接触アーティファクトを相殺する方法を開示する。
Description
本発明の技術分野は、電気生理学信号からの局所接触アーティファクトの相殺に関する。特に、本発明の技術分野は、所望の差分信号と雑音からなる合成差分信号から、記録部位または記録部位近くで生成された局所アーティファクトを消去する方法に関する。
脳波計（ＥＥＧ）、心電図（ＥＣＧ）、筋電計（ＥＭＧ）のような生体電気の記録は、通常は被験者の皮膚に貼り付けられたＡｇ−ＡｇＣｌ電極を用いて得られる。湿性または親水性の伝導性ゲルが皮膚との接触を最適化し、皮膚の伝導性を増加させるために使用され、その結果、得られる信号の品質が向上する。
B. W. Widrow, S. D. Stearns, "Adaptive Signal Processing," 1985, Prentice-Hall, Inc., New Jersey.
電気的接触（galvanic contact）の更なる向上は、壊死した皮膚組織を削り取るための穏やかな皮膚剥削（mild skin abrasion）により達成できる可能性がある。これは医療業務において一般的な手段である。しかし、運動中（例えばＥＣＧにおけるストレステスト）のような雑音のある臨床環境や、非臨床環境（例えば身体訓練）では、動作アーティファクトが記録の品質を落とす、また時々信号を完全に隠す傾向がある。さらに遠隔医療測定のような非専門的臨床環境においては、簡易電極の使用が望まれ、さらに頻繁に乾式電極を使用しなければならない。このことは、乾いた外層皮膚はイオン電荷の蓄積を起こす誘電性絶縁体として機能し、ごくわずかな動作によっても寄生性の電圧変動を引き起こすため、動きアーティファクトに対する感受性をさらに増加させる。
したがって、被験者とセンサ接触との相互作用で生成された局所雑音を消去するための明らかな必要性が存在する。
ここで述べるように、我々は、局所的に生成された雑音から独立した計測に対する適切な増幅チャネルを加えることにより接触アーティファクトを相殺するために局所雑音参照入力を使用し、そして上記所望の信号に対する雑音の影響を消去するための適応性相殺技術を利用する。
例として、以下の議論ではＥＣＧ信号解析に着目するが、同一の原理はＥＥＧやＥＭＧのような別の生体信号からの雑音除去に対しても適用できる。
本発明は、合成差分信号における雑音表現をモデル化するための参照入力を用いて、電気生理学信号の差分記録から局所接触アーティファクトを相殺する方法を開示する。
好ましい実施形態において、ここで述べる方法は、（所望の差分信号と雑音からなる）計測された合成差分信号への雑音の影響を再構成し、上記合成差分信号から上記雑音の影響を減算し、上記所望の差分信号の高品質表示を提供する。
我々は、また、合成差分信号において電気生理学センサの接触アーティファクトを消去する方法を提供し、この方法は、
（ａ）記録部位において雑音と合成差分信号とを同時にかつ独立に記録するステップと、
（ｂ）上記独立に記録された雑音を上記合成信号中に含まれる雑音の近似へ変換するために使用された変換を識別するステップと、
（ｃ）上記変換された記録雑音を用いて、上記合成信号に含まれる雑音を再構成するステップと、
（ｄ）上記再構成された雑音を用いて、上記合成信号に含まれる雑音を相殺するステップを備える。
（ａ）記録部位において雑音と合成差分信号とを同時にかつ独立に記録するステップと、
（ｂ）上記独立に記録された雑音を上記合成信号中に含まれる雑音の近似へ変換するために使用された変換を識別するステップと、
（ｃ）上記変換された記録雑音を用いて、上記合成信号に含まれる雑音を再構成するステップと、
（ｄ）上記再構成された雑音を用いて、上記合成信号に含まれる雑音を相殺するステップを備える。
前述の方法は、分割されたセンサを用いた記録を含む記録ステップを有してもよい。前述の方法は、また、上記変換ステップと上記再構成ステップは同期化された雑音ブロックと信号ブロックに対して実行し、上記相殺ステップは連続した同期化された信号ブロックと雑音ブロックとを受け取り、上記雑音ブロックを上記信号ブロックに当てはめ、上記信号ブロックから上記当てはめられた雑音ブロックを除去するバッチ最小二乗を実行することを含むように実行してもよい。
ＥＣＧは心臓の収縮と弛緩を反映した周期的な信号である。典型的な心拍数は、安静時において毎分６０−７０拍に分布し、激しい身体的または心理的活動の間は、２倍あるいは実に３倍になることがある。身体的活動中や、震えのような自然あるいは病態生理学現象に関係する不安定性に起因する不安定な収集状態は、局所計測アーティファクトを引き起こす。それらのアーティファクトは、所望の信号のスペクトル特性と著しく重なり合うスペクトル特性を有し、広範囲の周波数に現れるため、信号強調のための従来技術のスペクトルフィルタリングの使用を阻む。不安定な収集状態において、所望の信号を完全にマスキングすることは珍しいことではない。
以下では、アーティファクトの局所計測が、所望の信号からアーティファクトを相殺するための実行可能な参照入力を提供することを示す。一例として、差分ＥＣＧ信号が、反復使用に適した乾式電極板を用いて、それぞれの手から１本ずつ、２本の指から得られる装置を検討する。一方で、それは、遠隔医療応用やサイクリング中の心拍数測定のような広く使用されている応用例における現実的な方法であるが、以下のような理由で特に問題がある。（ａ）乾式電極は質の悪い接触を提供する。（ｂ）自由な接触（free touching）は、非固定的な状態はもちろん、明らかに固定的な状態においても動きアーティファクトを持ち込む可能性がある。（ｃ）指や手から取得したＥＣＧ信号の振幅は、信号を生成している組織からの距離が原因で大幅に減衰し、ＳＮ比が低い記録になる。
一実施形態においては、アーティファクトの相殺は、図１に示すように、複数の指の表面からの雑音のみのデータと、左右の指の間の差分信号との同時記録によって実行される。別の実施形態では、胸、背中、または肢のような別の記録部位を使用してもよい。
一実施形態においては、連続した同期化された信号ブロックと雑音ブロックとを受け取り、上記雑音ブロックを上記信号ブロックに当てはめて、上記信号ブロックから上記当てはめられた雑音ブロックを除去するバッチ最小二乗を実行するブロック信号解析がアーティファクトの相殺に使用される。もう１つの実施形態では、適応的行動を最適化するために、重複ブロックが使用される。さらに別の実施形態では、特定の応用例の実時間の必要条件に依存して、ＬＭＳやＲＬＳのような適応的適合法（adaptive fitting techniques）を用いてサンプルごとに逐次解析が行われる。
一実施形態においては、接触センサ板は、左右の指からの局所表面雑音の記録のほかに、差分ＥＣＧ信号を取得するための２本の指の間の差分の記録もまた可能にするために、２つの受信領域に分割されている。他の実施形態では、より高い空間雑音解像度写像を提供するために、接触センサ板は複数の受信領域に分割されていてもよい。
一実施形態では、局所表面雑音データは、図２に示されているような適応性相殺方法を用いて、所望の差分信号から適応的に消去される。図２において、適応ブロックＬＳ（最小二乗）は、雑音入力フィルタＡ（ｚ）、Ｂ（ｚ）の適応処理を制御する。代替の実施形態では、適応線強調（ＡＬＥ：ａｄａｐｔｉｖｅ ｌｉｎｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）のような別の相殺方法を用いてもよい。
以下の実施例では、ＥＣＧ測定に対する接触アーティファクト相殺の利点を示す。被験者は、２つの手の２本の指で左右のセンサ板に触れるように指示された。その後、被験者は右指を周期運動で動かし、同時にセンサ板との接触を維持するように指示され、その結果、所望のＥＣＧ信号に強い動作アーティファクトが導入された。参照雑音信号の適応性相殺は、ＥＣＧ信号への雑音の影響を消去することに適したバッチ最小二乗を用いて実行される。図３は、雑音で品質が劣化したＥＣＧ信号（上）、動いている指の表面から取得された参照雑音信号（中）、雑音が消去されたＥＣＧ信号（下）を表している。
雑音相殺は、以下のように、ブロック解析を用いて実行された。
ｎ１（ｔ）、ｎ２（ｔ）は、左右の指から計測された接触雑音の測定値、Ｓ（ｔ）は、左右の指の間で計測された合成差分信号を表す。
雑音測定値は近接した記録部位から取られたと仮定すると、雑音測定値は、左右の指から差動的に計測された接触雑音に対して線形的に関連していると考えることができる。
したがって、接触雑音ｎ（ｔ）の相殺は、線形変換された雑音信号を計測された差分信号へ当てはめることによって実行できる。
ここでａ（ｔ）、ｂ（ｔ）は時変線形フィルタのインパルス応答である。
時変最適化問題を解くために、解の擬似定常性を仮定する、つまり以下の最適化問題を解くためにブロック解析を利用する。
離散行列記法を用いると、最小二乗解は以下のようになる。Ｎは、次式のように左右の雑音行列を表す。
Ｓは、次式のように信号ベクトルを表す。
最小二乗解は次式で表される。
したがって、ＥＣＧ信号は以下のようにして再構成できる。
Claims (5)
- 合成差分信号において電気生理学センサの接触アーティファクトを消去する方法であって、
（ａ）記録部位において雑音と合成差分信号とを同時にかつ独立に記録するステップと、
（ｂ）上記独立に記録された雑音を上記合成信号中に含まれる雑音の近似へ変換するために使用された変換を識別するステップと、
（ｃ）上記変換された記録雑音を用いて、上記合成信号に含まれる雑音を再構成するステップと、
（ｄ）上記再構成された雑音を用いて、上記合成信号に含まれる雑音を相殺するステップとを備えた方法。 - 上記記録するステップは分割されたセンサを用いて記録する請求項１記載の方法。
- 上記変換するステップと上記再構成するステップとは同期化された雑音ブロックと信号ブロックに対して行われる請求項１記載の方法。
- 電気生理学信号の差分記録から局所アーティファクトを相殺する方法であって、
（ａ）所望の差分信号と雑音からなる計測された合成差分信号への雑音の影響を再構成するステップと、
（ｂ）上記合成差分信号から上記雑音の影響を減算するステップと、
（ｃ）上記所望の差分信号の表現を提供するステップとを備えた方法。 - 雑音ブロックを上記信号ブロックに当てはめ、上記信号ブロックから上記当てはめられた雑音ブロックを除去するバッチ最小二乗を実行するステップをさらに備えた請求項３記載の方法。
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