JP2018023787A - 波面のアノテーション - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる2016年8月11日出願の米国特許仮出願第62/373,458号の利益を主張するものである。本出願は、本出願と同日付で出願された「Classifying ECG Signals」と題された出願に関連する。
本発明は、広義には心電計(ECG)信号に関し、より詳細には信号にアノテーション付けするための方法に関する。
ヒト被験体の心筋に近接する一対の電極からバイポーラ信号を受信すること、
一対の電極のうちの選択された一方からユニポーラ信号を受信すること、
ユニポーラ信号の局所ユニポーラ最小導関数、及びユニポーラ最小導関数の発生時刻を計算すること、
バイポーラ信号のバイポーラ導関数を計算すること、
バイポーラ導関数と局所ユニポーラ最小導関数との比を求めること、並びに、
比が予め設定された閾値の比の値を超える場合は、心筋の活性化時間として発生時刻を特定すること、を含む、方法を提供する。
ヒト被験体の心筋に近接して配置されるように構成された一対の電極と、
一対の電極からバイポーラ信号を受信し、
一対の電極のうちの選択された一方からユニポーラ信号を受信し、
ユニポーラ信号の局所ユニポーラ最小導関数、及びユニポーラ最小導関数の発生時刻を計算し、
バイポーラ信号のバイポーラ導関数を計算し、
バイポーラ導関数と局所ユニポーラ最小導関数との比を求め、かつ
比が予め設定された閾値の比の値を超える場合は、心筋の活性化時間として発生時刻を特定するように構成されたプロセッサと、を含む、装置が提供される。
バイポーラ信号とは異なり、ユニポーラ信号における活動開始は、信号の急な下方偏向によって明確にマークされるが、バイポーラ信号とは異なり、ユニポーラは遠距離場活性化に対して敏感である。
・ユニポーラ活動は信号の振幅における急な下方偏向によってマークされる。これらの偏向は、活動速度信号における局所最小値として容易に同定が可能である(即ちユニポーラ信号の導関数)。しかしながら、全ての局所最小値が活動の指標となるわけではなく、いくつかは、ノイズ又は遠距離場活動の結果である。したがって、アルゴリズムの目的は、局所の実際の活性化と関連付けられる速度信号における局所最小値と、そうではないものと、を区別することにある。これは、次の観察を用いることで可能となる。
・遠距離場活性化は、ユニポーラのペアの電位にほぼ等しく影響を与える。したがって、これらのバイポーラ対応物は、遠距離場活性化の間に残留活動しか有さない。これは、電極のうちの一方が活性化部位(activation)に近接し、もう一方が比較的遠い(数mmで十分である)局所活動測定の間には当てはまらない。この場合、バイポーラ信号は、ユニポーラ信号の勾配変化と同時的な勾配変化を更に示す(図2及び下記の説明を参照されたい)。この現象を用いて、近距離場活性化から生じるユニポーラの急な偏向と、遠距離場活性化から生じるものと、を区別することが可能である。
・候補アノテーションの複数の特徴を組み合わせることにより、より強固なアノテーションの検出を実施するための方法が提供される。例えば、局所活性化の結果としてのバイポーラ振幅の変化を、特徴として用いることができる。しかしながら、時には遠距離場活性化はバイポーラコンポーネントを有し得る(例えば、心室弁付近の下部心房(inferior atria)をマッピングする時)。したがって、バイポーラ振幅のみに基づく意思決定は失敗する場合がある。しかしながら、信号の追加的な特徴が用いられると、意思決定はより強固なものになり得る。1つのこうした特徴は、活性化部位周囲のユニポーラ振幅であり得る(図2)。
前処理段階及び特徴抽出段階の目的は、ユニポーラ及びバイポーラ信号における干渉を除去及び減衰させ、同時に後続の段階で用いられる信号のこれらの特徴を維持して、かつ強調することにある。分かりやすさのために、本明細書で説明される作用は段階22及び24で発生すると仮定してあるが、これらの作用のうちの少なくともいくつかは、アルゴリズムのその他の段階で発生する場合があることを理解されたい。我々が保持したいと欲する特徴は、活性化のモルホロジーであり、その理由は、これが勾配の変化を反映するためである。典型的に捨てられる特徴は、勾配の測定を誤らせ得る付加的な信号として、かつ高周波ノイズとしても作用するベースラインのふらつきである。段階22及び24は、4つの亜段階に分割される。
ユニポーラ前処理段階は、以下の工程を順番に適用することからなる。
1.1KHzでのベースラインの推定及びサブトラクション(中央値フィルタ及び低域通過フィルタ(LPF)を使用した)
2.8KHzへのアップサンプリング(因数8によるサンプリング及び保持、又はその他のアップサンプリング技法)
3.第1の平滑化フィルタ−LPF FIR(−6db@155Hz、145タップ)。フィルタは、500Hzの65タップ等リプルフィルタとガウス10ミリ秒窓とのコンボリューションである。
4.第2の平滑化フィルタ。用いられるフィルタは、典型的には500Hzの低域通過フィルタシステムである、アンチエイリアスLPFである。
5.導関数
バイポーラ前処理段階は、以下の工程を順番に適用することからなる。
1.1KHzでのベースライン推定及びサブトラクション(中央値フィルタ+LPF)
2.8KHzへのアップサンプリング(因数8によるサンプリング及び保持)
3.平滑化−LPF FIR(−6db@310Hz、113タップ)フィルタは、500Hzの65タップ等リプルフィルタとガウス6ミリ秒窓とのコンボリューションである。
4.導関数
心臓内(IC)信号は、カテーテルの運動、被験者の運動、及び組織との界面を変化させる呼吸から生じる付加的なベースラインのふらつき信号を含む場合がある(図3及び下記の説明を参照されたい)。これらの運動アーチファクトが含む成分は、ほとんどが低周波成分である。しかし、近距離場活動信号もまた、これらのスペクトル帯に有意なエネルギーを含む場合がある。したがって、高域通過IIR又はFIRフィルタによる従来の除去方法には問題があり、IC信号に歪み及び形態変化を引き起こす場合がある。結果として、我々が使用する選択されたアプローチは、ベースラインのふらつきの推定(図3)、及び信号からそれを減算することに基づく。
図5は、本発明の一実施形態による、2つのガウスフィルタのグラフである。信号における鋭い偏向ポイントの検出は、信号の速度に基づくものであり、したがって導関数アプローチを用いる。しかしながら、導関数は高域通過フィルタとして作用するため、高周波ノイズを強化する。したがって、導関数推定のノイズを減少させるために我々は平滑化関数を用いる。我々が用いる平滑化関数は、図5に図示されるユニポーラガウス関数80及びバイポーラガウス関数84を含む、正規化されたゼロ平均のガウス関数である。これらのユニポーラ及びバイポーラガウスフィルタは、それぞれ±2ms及び±1msの時間窓のエネルギーの90%を有する。したがって、これらの値よりも大きい活性化又は接近する遠距離場は、事実上無視され、導関数値には影響しない。
ここで、図6〜9を参照する。図6はアノテーション検出器−I段階26の概略的ブロック図であり、図7は、ユニポーラ及びバイポーラ信号、並びにその導関数のグラフであり、図8は、アノテーションアルゴリズムの第1の拒絶フェーズを図示したグラフを有し、図9は、本発明の一実施形態による、局所及び遠距離場の候補アノテーションを図示するグラフを有する。
1.ユニポーラ偏向ポイント(典型的には±2ms)周囲の時間窓のバイポーラ平滑化導関数信号(S−BIP)の値は、閾値TH−BIPを負の様式で超えるべきである。
したがってS−BIP<TH−BIPである。一実施形態では、TH−BIPは典型的には約0.008mv/msである。
2.このバイポーラ平滑化導関数値とユニポーラ平滑化導関数勾配値との間の比はTh−Ratioよりも高く、典型的には約0.2であるべきである。
アルゴリズムのペア排除段階は、単一の活動から生じる2つのアノテーションをマージする役割を担う。このスプリット現象は、何らかの理由で、もう一方の電極で記録された活動、又は一方の電極に他方よりも強い影響を与える遠距離場活動のいずれかによって、近距離場活動の右下がり勾配が瞬間的な右上がり勾配を含む場合に発生し得る。瞬間的な右上がり勾配は、信号の導関数に2つの最小値を生じさせ、これらが十分に強い場合は、これは2つのアノテーションを生じさせる。これらのケースを除外するために、我々は右上がり勾配に起因する信号の変化を評価する。
前フェーズを通過した候補アノテーションを、追加的な特徴及び測定基準を用いてこのブロックで再評価する。このブロックを通過して、更にユーザーのバイポーラ電圧で制御された閾値も通過するアノテーションのみが、有効なアノテーションと考えられる。各アノテーションに関して、複数の特徴を計算する。各特徴値に対して、特徴の信頼値に対応する0〜1の範囲のファジースコアを付与する。最後に、全てのスコアを組み合わせてこれらの値をグローバルスコア閾値に対して試験する。グローバルスコア閾値を通過する、即ち高い信頼値を有するアノテーションは有効なアノテーションとみなされ、通過しない、即ち低い信頼値を有するアノテーションは拒絶される。
1.ユニポーラ導関数値
2.ユニポーラ勾配の持続時間s2
3.時間窓s2でのユニポーラ勾配の振幅
4.上記の持続時間と振幅との間の比
5.時間窓−s2におけるバイポーラ信号の振幅
図11は、本発明の一実施形態による、ユニポーラ導関数のファジー関数のグラフ160である。グラフは、導関数に割り当てられるスコアf(s1)を提供し、本明細書では導関数値はs1と称される。グラフに示すように、−0.07未満の導関数値には1のスコアが与えられ、−0.07を超える値は、勾配の−0.018で0.5のスコアが到達されるように直線状に減少する。−0.01未満の導関数値には0のスコアが与えられる。
図12は、本発明の一実施形態による、ユニポーラ信号のセグメンテーションを図示するグラフを示す。セグメンテーションについて下記でより詳細に説明する。ユニポーラ信号170及びその導関数174は、候補アノテーションの時間指標176(黒点)の周囲に図示されている。閾値を示す水平点線180は、両方向の探索セグメント(search segment)(典型的には約±25ms)をマークする。一実施形態では、セグメント値は、アノテーションポイントにおける絶対最大ユニポーラ導関数値の20%として定義される。セグメントA、Bは、信号導関数が閾値未満である検索窓内の時間間隔をマークする。この実施例の最終セグメントは、セグメントAか、あるいは特定の条件(本明細書の下記で説明する)が満たされる場合は、開始Aで始まりBで終結する結合セグメントか、のいずれであってもよい。
1.候補アノテーションの時間指標176上に集中したユニポーラ信号導関数174の50msセグメントを、それに対してセグメントが画定され得る閾値線180の最大スパンとみなす。図12では、スパンは線180の端点182と186との間にある。我々は、ユニポーラ信号の右下がり勾配セグメントは、この50msの時間窓内に制限されているものとみなす。セグメントがこれよりも大きい場合は、これは、この50msの区画に強制的に限定される(force-bounded)。
2.導関数セグメントの振幅を、一定の閾値に対して比較する。本明細書で説明する実施形態における閾値は、候補アノテーション時間においてユニポーラ導関数値の20%であると推定される。その値未満である線180上のセグメントは、図12で2つのセグメントA及びBとしてマークされている。
3.次の工程は、セグメントの境界を計算して、これらのセグメントにおける信号の絶対値の合計に対応する、各サブセグメントの個別の導関数未満領域を合計することである。
4.セグメントのマージ。間を占めるセグメント、及びこれらの面積に基づいて、最終セグメントが主セグメント(A)又は追加的セグメント(B)のどちらを含むべきか決定する。一実施形態では、セグメントを結合するために、隣接する端点は互いから1ms以下でなければならず、追加的セグメント(B)の面積は、Bの信号δがAの信号δの30%未満となるように、主セグメントの30%未満であるべきである。
図14は、本発明の一実施形態による、ユニポーラ振幅のファジー関数のグラフ200である。ユニポーラ振幅は、検出された活動セグメント(ピーク対ピーク)の持続時間s2におけるユニポーラ信号の振幅である(本明細書ではs3と称される)。一実施形態では、ファジー関数勾配は、ポイント202、204{0.1,0.5}、{0.42,1}で交差する。ファジー関数から導かれたスコアf(s3)は、信号の振幅よりも高い。即ち、高いスコア及び高い振幅の場合、遠距離場信号が大きな振幅を有していない限り、信号は局所活性化に由来している可能性が高い。
図15は、本発明の一実施形態による、ユニポーラ持続時間と振幅との比のファジー関数のグラフ210である。活動が長くなるほど振幅は小さくなり、これは誤ったアノテーションである可能性が高いため、ユニポーラ持続時間と振幅との比は、高い比の値を除外する。一実施形態では、ファジー関数線の式は、
f(s4)=−0.0184・s4+1.283 (1)であり、
式中、s4は、持続時間と振幅との比であり、
f(s4)は比に割り当てられるスコアである。
図16は、本発明の一実施形態による、バイポーラ振幅のファジー関数のグラフ220である。ユニポーラ活動セグメント内のバイポーラ振幅(ピーク対ピーク)であるs2もまた、候補アノテーションの可能性をスコア付けするために用いられる。値が高いほど、これが真の活性化である可能性が高まる。
f(s5)=25・s5,0≦s5≦0.04;f(s5)=1,s5>0.04 (2)であり、
式中、s5はバイポーラ振幅であり、
f(s5)は振幅に割り当てられるスコアである。
上述したように、各特徴はスコアを付与され、スコアはグローバルスコアの生成時に共に用いられる。この意図は、特徴は、アノテーションの取り入れ又は除外において相互に支援し得るというものである。一実施形態では、我々が用いたスコア法は、以下に定義される通りである。
いくつかの実施形態では、アルゴリズムの最終段階は、低いバイポーラ振幅を有する場合に検出されたアノテーションを排除する能力をユーザーに提供するように設計されている。必要な振幅の閾値は、ユーザーによって制御される。バイポーラ振幅のフィルタリングは、処理後段階を超えた各アノテーションのバイポーラ振幅と、閾値とを比較する。閾値を超えるバイポーラ振幅を有するアノテーションのみがシステムに渡される。(ユーザーがこの段階をスキップすることを望む場合は、ユーザーは閾値を0に設定して、この段階のルールを排除してもよい)。
ファジースコア及びバイポーラのユーザーによって制御されるバイポーラ振幅を通過する全てのアノテーションは、プロセッサによって用いることのできる有効なアノテーションとみなされる。
1.アノテーション時間指標
2.ユニポーラ及びバイポーラ導関数値
3.ファジースコア
4.ユニポーラによって検出された(unipolar detected)右下がり勾配セグメント持続時間
5.そのセグメント内のユニポーラ振幅
6.そのセグメント内のバイポーラ振幅
7.ユーザーによって制御された値のバイポーラ振幅
更に、以下を含む追跡ファイル(trace files)が提供されてもよい。
1.各特徴に対する特定のファジースコア
2.ユニポーラセグメントの開始及び終了時間指標
(1) ヒト被験体の心筋に近接する一対の電極からバイポーラ信号を受信すること、
前記一対の電極のうちの選択された一方からユニポーラ信号を受信すること、
前記ユニポーラ信号の局所ユニポーラ最小導関数、及び前記ユニポーラ最小導関数の発生時刻を計算すること、
前記バイポーラ信号のバイポーラ導関数を計算すること、
前記バイポーラ導関数と前記局所ユニポーラ最小導関数との比を求めること、並びに
前記比が予め設定された閾値の比の値を超える場合は、前記心筋の活性化時間として前記発生時刻を特定すること、を含む、方法。
(2) 前記バイポーラ導関数が予め設定されたバイポーラ導関数の閾値を下回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることを更に含む、実施態様1に記載の方法。
(3) 前記局所ユニポーラ最小導関数が予め設定されたユニポーラ導関数の閾値を下回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることを更に含む、実施態様1に記載の方法。
(4) 前記発生時刻に対応する信頼水準が予め設定された信頼水準を上回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることのみを含む、実施態様1に記載の方法。
(5) 前記バイポーラ信号の振幅が予め設定されたバイポーラ信号の閾値を上回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることのみを含む、実施態様4に記載の方法。
プロセッサであって、
前記一対の電極からバイポーラ信号を受信し、
前記一対の電極のうちの選択された一方からユニポーラ信号を受信し、
前記ユニポーラ信号の局所ユニポーラ最小導関数、及び前記ユニポーラ最小導関数の発生時刻を計算し、
前記バイポーラ信号のバイポーラ導関数を計算し、
前記バイポーラ導関数と前記局所ユニポーラ最小導関数との比を求め、かつ
前記比が予め設定された閾値の比の値を超える場合は、前記心筋の活性化時間として前記発生時刻を特定するように構成されたプロセッサと、を含む、装置。
(7) 前記バイポーラ導関数が予め設定されたバイポーラ導関数の閾値を下回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることを更に含む、実施態様6に記載の装置。
(8) 前記局所ユニポーラ最小導関数が予め設定されたユニポーラ導関数の閾値を下回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることを更に含む、実施態様6に記載の装置。
(9) 前記発生時刻に対応する信頼水準が予め設定された信頼水準を上回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることのみを含む、実施態様6に記載の装置。
(10) 前記バイポーラ信号の振幅が予め設定されたバイポーラ信号の閾値を上回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることのみを含む、実施態様9に記載の装置。
Claims (10)
- ヒト被験体の心筋に近接する一対の電極からバイポーラ信号を受信すること、
前記一対の電極のうちの選択された一方からユニポーラ信号を受信すること、
前記ユニポーラ信号の局所ユニポーラ最小導関数、及び前記ユニポーラ最小導関数の発生時刻を計算すること、
前記バイポーラ信号のバイポーラ導関数を計算すること、
前記バイポーラ導関数と前記局所ユニポーラ最小導関数との比を求めること、並びに
前記比が予め設定された閾値の比の値を超える場合は、前記心筋の活性化時間として前記発生時刻を特定すること、を含む、方法。 - 前記バイポーラ導関数が予め設定されたバイポーラ導関数の閾値を下回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記局所ユニポーラ最小導関数が予め設定されたユニポーラ導関数の閾値を下回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記発生時刻に対応する信頼水準が予め設定された信頼水準を上回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることのみを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記バイポーラ信号の振幅が予め設定されたバイポーラ信号の閾値を上回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることのみを含む、請求項4に記載の方法。
- ヒト被験体の心筋に近接して配置されるように構成された一対の電極と、
プロセッサであって、
前記一対の電極からバイポーラ信号を受信し、
前記一対の電極のうちの選択された一方からユニポーラ信号を受信し、
前記ユニポーラ信号の局所ユニポーラ最小導関数、及び前記ユニポーラ最小導関数の発生時刻を計算し、
前記バイポーラ信号のバイポーラ導関数を計算し、
前記バイポーラ導関数と前記局所ユニポーラ最小導関数との比を求め、かつ
前記比が予め設定された閾値の比の値を超える場合は、前記心筋の活性化時間として前記発生時刻を特定するように構成されたプロセッサと、を含む、装置。 - 前記バイポーラ導関数が予め設定されたバイポーラ導関数の閾値を下回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることを更に含む、請求項6に記載の装置。
- 前記局所ユニポーラ最小導関数が予め設定されたユニポーラ導関数の閾値を下回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることを更に含む、請求項6に記載の装置。
- 前記発生時刻に対応する信頼水準が予め設定された信頼水準を上回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることのみを含む、請求項6に記載の装置。
- 前記バイポーラ信号の振幅が予め設定されたバイポーラ信号の閾値を上回る場合は、前記心筋の前記活性化時間として前記発生時刻を割り当てることのみを含む、請求項9に記載の装置。
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