JPS6111017A - 生体信号処理方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は心電図等の生体信号の認識、計測を行う場合の
生体信号処理方式に関する。

〔従来の技術〕

一般に生体の信号は、るる形状を持つ複数種の波の組合
せ、あるいはそれらの周期的な繰り返しで構成されてい
るが、その生体信号の性質を把握するにはそれらの検波
の基線（ゼロレベル）からの立ち上り時刻、基線へ戻る
時刻、ピーク生起時刻、あるいは変曲点を示す時刻等を
計測し、波の幅（時間間隔）や高さく電圧値）を求めて
、蜂波の形状を類推する方法が一般に行われている。

しかし生体信号は、その電圧レベルが小さくハムなどの
高周波雑音が重畳し易いためその信号の計測を正確に行
うことは難かしいとされていた。例えば心電図を例にと
ると心電図信号は第２図に示すようにＰ、　Ｑ几Ｓ、　
Ｔ、　Ｕ波と称される各線波から構成されているが、こ
の心電図信号を自動解析するにらたって従来は、その周
波数成分が高く、かつ振幅値が大きい為、検出が容易で
あるＱＲ８波を中心として行われており、Ｐ波あるいは
Ｔ波の認識に関しては、雑音や基線動揺による影響のた
め正確な波形認識、計測は困難であった。

特に、不整脈などの解析の際にはＰ波の存在の有無、形
状などの正確な認識が必要となるがＰ波は周波数成分も
低く、また振幅値も小さいため筋電図やハムなどの混入
で信号成分が雑音に埋もれてしまいその弁別が難かしい
とされていた。またＴ波については、心筋異常等を診断
する場合に、Ｓ−Ｔ成分の傾向やＴ波の形状（陰性波や
２相性の区別）を認識することが必要であるが、Ｓ−Ｔ
成分には雑音が重畳し易く、また陰性（２相生）Ｔ波の
認識には基線動揺の鉱響を受け易いため、計測誤差が大
きくなるという欠点があった。

冑、従来このＰ波（Ｔ波）を検出するには以下の方式が
とられている。（１）心電図アナ−ログ信号をアナログ
ディジタル変換し、そのディジタル信号に対し、帯域通
過型のディジタルフィルタリング処理を行うことにより
Ｐ波やＴ波の生起時刻、終端時刻、ピーク生起時刻を決
定する方式、（２）心電図アナログ信号をアナログディ
ジタル変換し、そのディジタル原信号に対し、差分処理
を加えて一次微係数を求め傾きの変化が最大となる時刻
をＰ波やＴ波の生起時刻とする方式である。方式（１）
に於て使用されるディジタルフィルタをソフトウェアで
実現すると係数として精度が要求される小数点データを
必要とし、さらに高精度の乗除算処理を繰り返し実行す
るため、処理時間がかかり、必要なメモリも大容量のも
のを必要とする欠点があった。また、Ｐ波、Ｔ波を弁別
するためには異なった周波数特性を持つディジタルフィ
ルタを必要とした。方式（２）は原石電図信号に重畳し
た筋電図、ハムなど高周波雑音による影響を受け易く誤
った認識を行う可能性が大きかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、従来の生体信号処理方式と比較して高
周波雑音や基線動揺の影響を受けずに波形の生起時刻、
終端時刻、ピーク生起時刻全正確にしかも同一構成で求
めることができ、さらに波形の形状を２次微分出力信号
のパターンからだけで認識できる生体信号処理方式を提
供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、処理対象信号に２次微分フィルタリン
グ処理を加える操作と、２次微分出力された時系列信号
群よりピークを検出する操作と、検出されたピーク信号
系列の生起パターンにより原信号のパターンを類推し、
分類する操作と、２次微分ピーク信号系列より原信号の
生起時刻、終端時刻およびピーク生起時刻を求めさらに
原信号のピーク電圧値を計１Ｑｔｌする操作とにより構
成される生体信号処理方式が得られる。

〔発明の原理〕

生体信号等の処理対象信号の波形の一周期の基本形を第
３図（ａ）と考えると、ω）は（ａ）及び（ａ）と極性
の反転する波形の連続したものであり、（Ｃ）は（ａ）
の波形が２つ連続した波形と考えることができる５、さ
らに一般の連続波形はこれらの波形が組み合せられて連
続的な周期を持って現われると考えてよい。そこでこの
処理対象信号に２次微分操作を加える。本発明にて利用
する２次微分フィルタの式を式（１）に示す。

＋０　・（ＪＣ＆＋２＋３’！　２）＋Ｏ・（”＆＋３
　＋”ｋ−３）＋１　・（”＆＋４＋”＆−４）＋２　
・（”＊＋５＋”１−ｓ）ここで（ｘｋ　）は第４図に
示すサンプリングされたアクタを示す。式（１）に示し
た通シ本フィルタは係数が簡単な整数（０，工ないしは
２）を示すため、加減算およびピットシフト演算のみで
処理が可能であり、高速かつ、良好な低減２次微分特性
を実現する特長を有している。

第３図（ａ）山）（Ｃ）の形状を持つ信号に上記フィル
タリング操作を加えた出力結果を各々（ａ’　Ｘｂ’　
Ｘ（！’　）に示す。

得られた２次微分フィルタリング出力信号のピーク生起
時刻は各々原信号における生起時刻、終端時刻および生
起時刻ないしはその近傍の時刻を示しておシ、シかも上
記の良好な低減特性より原信号に高周波雑音等が重畳し
た場合でも、その影響を受けずに顕著なピークを示すた
め雑音から信号成分を弁別することが容易である。また
、原信号に基線動揺がある場合も、２次微分出力信号の
ピーク生起時刻に゛影響を及ぼすことはないので凍原波
形の計測が正確に行われる。さらに原信号のうち第３図
（ａ）（ｂ）（Ｃ）の成分に対する２次微分出力信号成
分のピークが他の成分より顕著であることよ＃）（ａ’
）（ｂつ（Ｃ′）に示しだピーク列の生起パターンを認
識することにより原波形（ａ）（ｂ）（ｅ）の形状を類
推することが可能である。ここで心電図を例にとると心
電図を構成する陣波成分のうちＰ波、Ｔ波は一般的に第
３図（ａ）（ｂ）（ｅ）のパターンのいずれかを示しく
ａ）を単峰性パターン（ｂ）を２相性パターン（Ｃ）を
双峰性パターンと称する。各（ａ）（ｂ）（ｅ）の信号
においてＰ（Ｔ）波の２次微分出カバターンの一般形を
（Ｃ′）とすると（ａ’）（ｂ’）は各々（Ｃ′）のＰ
ｌないしＬはＰ５あるいはＰｌおよびＰ５が存在しない
場合の特殊波形と考えられるのでＰ波（Ｔ波）の２次微
分フィルタリング出力信号をそのピーク数、ピーク電圧
値ピーク時間間隔等から（ａ’）　（ｂ’）　（（！’
）のパターンに分類することによシ心電図信号解析に必
要な区分と称する各Ｐ（Ｔ）波の生起時刻終端時刻、ビ
ｉり生起時刻を計測可能であり、さらにその分類された
パターンからＰ（Ｔ）波の形状が単峰性、２相性、双峰
性かを判断することが可能となる。

そのためまず心電図原信号に関する２次微分出力信号よ
りＱ　ＲＳＫ波に関する成分を除去ないしはＱＲ８の生
起時刻を明確にしてＰ（Ｔ）液検出の際にＱＲ８Ｒ波の
影響を及ぼさないようにする。

これはＢｓｎ波群がその２次フィルタ出力において他の
出力よりも顕著な電圧値を示すためである。次に、２次
微分出力信号に重畳している雑音を計測し、その平均電
圧レベルを求める。原信号に混入した図やハムの電圧レ
ベルが高い場合、２次微分出力信号中においても雑音レ
ベルが大きくなるため、これがＰ（Ｔ）波信号成分の検
出精度に影響を及ぼさないようにピーク検出の為の閾値
を動的に設定できる電圧レベルによって決めている。

この電圧レベルに相当する雑音閾値によって雑音レベル
以上にあるピーク系列を選択しその中からさらに電圧レ
ベルの絶対値が最大を示す時刻のピークを中心として前
後に存在するピークを複数個、選択する。この選択基準
としてはまず、最大電圧レベルを示す時刻の近傍一定時
間間隔内にらるピークを選び、ピークとピークの時間間
隔が定められた時間間隔の範囲に存在しないものは雑音
ないしはノツチとみなしふるい落す。こうして残ったピ
ーク系列のパターンが第３図（ａ）（ｂ）（Ｃ）に示し
た２次微分出カバターンに合致するかを判別する。もし
、ピーク系列パターンがどれかに合致する場合は２次微
分出力信号ピーク生起時刻が各々原信号の生起時刻、終
端時刻、ピーク生起時刻ないしはこの近傍を示している
。原信号の性質によって、例えばＴ波の終端のようにそ
の変化が急岐でない場合、ピーク生起時刻が実際の区分
点よりずれを生じるのを補正する。０１ビ一ク系列パタ
ーンにおいてピークが過不足を示し第３図（ａ’）　（
ｂ’）　（ｅつのいずれにも合致しない場合、これを補
正してパターンの分類を行う。例えば第５図に示すよう
な２次微分出力信号上で原波形のピークと生起時刻を示
すパターンが得られた場合、ｂ′　　に相当するピーク
を再検出する為に雑音の閾値を下げてｂ′を求める。も
し、モデルパターンよりもピーク数が多い場合には時間
間隔、レベル等で、ピークの再検出を行い、ピーク数を
減少させる。

〔実施例〕

次に本発明の一実施例を図面を参照して説明する。第１
図は本発明の一実施例を示す図で、１は２次微分ディジ
タルフィルタであり、心電図等生体信号にフィルタリン
グ操作を加える。２は雑音検出装置であり、ディジタル
フィルタによって出力された信号より雑音等解析に不要
な２次微分出力成分の信号の平均電圧値を検出するもの
である。

３はＱＲ８波検出装置であり２次微分出力信号よりＱＲ
８波に相当する成分を検出する。４は減算装置であシ、
２つの入力信号の差分を行う。５は雑音閾値レベル発生
装置であり、ピーク検出の為の閾値を決定する。６はピ
ーク検出装置であり、設定された閾値以上にあるピーク
を検出する。７は電圧レベル比較装置であり、ピーク検
出装置６で検出されたピーク電圧のレベルを比較する。

８は最大レベル検出装置であり入力されたピークよシ最
大ピークを選択する。９はピークパターン生成装置であ
シ、ピーク検出装置ｔｔ、６で検出されたピーク列に基
づきパターンを生成する。１０はパターン比較装置であ
り、ピークパターン生成装置９で得られたパターンをあ
らかじめ設定されたモデルパターンと比較する。１１は
ピーク補正装置であシ、ピーク生起時刻の補正を行いピ
ーク時刻とビーク電圧値を出力する。１２は閾値補正装
置であシバターン比較装置１０でパターン比較された結
果に基きもし、パターンがモデルパターンと異なる場合
に閾値レベルを変化させる。１３は原波形の生起時刻、
終端時刻の補正装置であシ、正確な区分点の時刻を出力
する。１４は信号遅延装置であり、入力１言号を一定時
間、遅延する。

次に本実施例の動作を説明する。まず心電図信号第６図
（ａ）は２次微分ディジタルフィルタ１でフィルタリン
グ操作が行われる。このフィルタリング操作においては
第６図中）に示すような出力信号が得られるので雑音検
出装置２において（ｂ）の１１区間に存在する雑音を検
出し雑音閾値レベル発生装置５においてピーク検出装置
６内に必要な雑音除去のだめの閾値電圧を設定する。Ｑ
Ｒ８Ｒ８量検出装置３算装置４ではＰ（Ｔ）波検出の際
、不要なＱＲ８Ｒ２Ｏ３次微分出力成分第６図区間ｔ２
を除去する。ピーク検出装＃６においては、ｔ２算装置
４からの信号よシ、設定された雑音閾値ｔｂ＋以上にお
るピークを検出する。これを第７図に示す。さらに電圧
レベル比較装置７、最大レベル検出装置８でピーク系列
のうちの最大電圧レベルにあるものを選択する。（第７
図Ｐ）パターン比較装置１０はピークパターン生成装置
９において得られた第８図に示すようなピークの生成パ
ターンが第３図に示したパターンのいずれかと一致する
か否かを比較する。もし、パターンが一致する場合はピ
ーク補正装置１１、時刻の補正装置１３ヘトリガを発生
する。ピーク補正装置１１では最大レベル検出装置８で
得られた２次微分出力最大ピークレベルの時刻に基づき
原波形の性質によシ必要あればその時刻の補正を行い、
原波形を参照し原波形のピーク生起時刻及びその電圧値
を出力する。

一方、時刻の補正装置１３ではピーク検出装置６、ピー
クバター／生成装置９からのピークパターンよシ、原波
形の生起時刻、終端時刻を検出し原波形の性質により、
時刻の補正を行い、出力する。もし、パターン比較装置
においてモデルパターンと一致しない場合には、閾値補
正装置１２にトリガ奮かけピーク検出用の雑音閾値を変
化させ雑音閾値レベル発生装置５に戻る。

〔発明の効果〕

以上の様な方式を採用することによプ従米の方式と比較
して次のような効果がある。（１）本方式で採用した２
次微分ディジタルフィルタは加減４５および遅延回路だ
けの簡単なｌｒ、！ｌ路構成で実現できるだめ従来のデ
ィジタルフィルタを利用したＰ■波波山出方式比較して
高速な波形検出が可能である。（２）本方式で採用した
２次微分グイジタルフイルタは良好な低域通過特性を持
つため、ハム、筋電信号等の高周波雑音を含んだ信号に
対しても高い検出精度を示す。（３）２次微分フィルタ
リング出力信号のみから、原信号の生起時刻、ピーク生
起時刻、終端時刻およびその近傍が検知できるので原信
号の保持、原信号の雑音処理等のための手段が不要にな
シ、構成が簡単になる。（４）外部から与えるパラメー
タの設定を変えるのみで同一の構成でＰ波、Ｔ波の検出
が可能であるため、信号処理装置全体の構成が簡単にな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は生体信号
の例としての心電図信号を示す図、第３図は生体信号の
処理の原理を示す図、第４図は時系列で示された信号デ
ータを示す図、第５１’Ｊは補正された信号波形を示す
図、第６図は心電図信号と２次微分フィルタリング処理
された信号を示す図、第７図はピーク検出の様子を示す
図、第８図は生成ビークパタ゛−ンを示す図。 躬４図 茶５区

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 入力生体信号を受け２次微分フィルタリング処理するフ
   ィルタ手段と、前記フィルタ手段の出力を受けピークを
   検出するピーク検出手段と、前記ピーク検出手段からの
   ピーク検出結果の時系列的変化により入力生体信号を所
   定の分類に類推する分類手段と、前記分類手段の出力を
   受け２次微分フィルタリング処理された信号を基に前記
   入力生体信号におけるピーク生起時刻及びピーク電圧値
   を計測する計測手段とを具備することを特徴とする生体
   信号処理方式。