AT504167B1

AT504167B1 - DETECTION PROCEDURE REPEATES IN RELATIVELY REGULAR INTERVALS OF SIGNIFICANT EVENTS FROM BIOSIGNALS

Info

Publication number: AT504167B1
Application number: AT15282006A
Authority: AT
Inventors: Dieter Dipl Ing Hayn; Guenter Dipl Ing Dr Schreier
Original assignee: Arc Austrian Res Centers Gmbh
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-10-15
Also published as: AT504167A3; AT504167A2

Description

2 AT 504 167 B12 AT 504 167 B1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion wiederholt in relativ regelmäßigen Abständen auftretender Ereignisse innerhalb von Biosignalen. Unter Biosignalen versteht man die Veränderung physikalischer Größen mit der Zeit. Beispiele für Biosignale sind das Elektrokardiogramms (EKG), das Elektroenzephalogramm (EEG) oder das Elektrookulogramm (EOG). Ein wesentlicher Bestandteil in der Analyse solcher Biosignale ist die Erkennung von bestimmten Ereignissen, wie beispielsweise die Detektion von Signalteilen, die im Falle des EKGs durch die Erregung des Herzens entstanden sind (z.B. der QRS-Komplexe) oder im Falle von EOGs ihren Ursprung im Zwinkern der Augen haben. Viele dieser Ereignisse treten wiederholt in relativ regelmäßigen Abständen auf. Inhalt der gegenständlichen Erfindung ist ein Verfahren zur Detektion derartiger Ereignisse.The invention relates to a method for detecting repeated events occurring at relatively regular intervals within biosignals. Biosignals are the change of physical quantities over time. Examples of biosignals are the electrocardiogram (ECG), the electroencephalogram (EEG) or the electrooculogram (EOG). An essential component in the analysis of such biosignals is the detection of certain events, such as the detection of signal parts, which in the case of the ECG have been caused by the excitation of the heart (eg the QRS complexes) or, in the case of EOGs, their origin in winking to have eyes. Many of these events occur repeatedly at relatively regular intervals. Content of the subject invention is a method for detecting such events.

Wesentlich bei der Detektion von Ereignissen ist die Sensitivität (Anzahl richtig detektierter Ereignisse dividiert durch die Anzahl aller tatsächlich vorhandenen Ereignisse) sowie die Spezifität (Anzahl richtig detektierter Ereignisse dividiert durch die Anzahl aller detektierten Ereignisse).Essential in the detection of events is the sensitivity (number of correctly detected events divided by the number of actual events) and the specificity (number of correctly detected events divided by the number of all detected events).

Detektoren für wiederholt in relativ regelmäßigen Abständen auftretende Ereignisse werden unter anderem in Geräten zur Aufzeichnung von EKGs verwendet. Problematisch ist dabei, dass die Ausprägung der Ereignisse oft unterschiedlich ist, weshalb derzeit adaptive Schwellwerte, die sich an das Biosignal anpassen, verwendet werden. Die Bestimmung der optimalen Schwelle ist jedoch schwierig, wodurch Sensitivität und Spezifität der Detektion nie den Idealfall von 100% erreichen.Detectors for repetitive, relatively regular events are used, among other things, in ECG recording devices. The problem here is that the severity of the events is often different, which is why currently adaptive thresholds that adapt to the biosignal, are used. Determining the optimal threshold, however, is difficult, whereby sensitivity and specificity of detection never reach the ideal 100%.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, wiederholt in relativ regelmäßigen Abständen auftretende Ereignisse innerhalb von Biosignalen mit maximaler Sensitivität und Spezifität zu detektieren.The invention is thus based on the object repeatedly to detect occurring at relatively regular intervals events within biosignals with maximum sensitivity and specificity.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass wiederholt der Zeitpunkt und die Amplitude des maximalen Amplitudenwertes des Signals als Ereignis gespeichert wird und das Signal in einem vordefinierten Zeitfenster um diesen Zeitpunkt mit einer Unterdrückungsfunktion multipliziert wird, solange, bis die Amplitude des verbleibenden Maximums einen vordefinierten Schwellwerte unterschreitet oder bis die Anzahl der gefundenen Ereignisse eine vordefinierte Schranke überschreitet und innerhalb der absteigend sortierten Amplituden aller gefundenen Ereignisse, beginnend beim n-ten Ereignis, wobei n der Mindestanzahl der zu detektierenden Ereignisse entspricht, nach dem deutlichsten Sprung gesucht wird und alle Ereignisse mit Amplituden, die hinter diesem Sprung liegen, verworfen werden.The object is achieved by repeatedly storing the time and the amplitude of the maximum amplitude value of the signal as an event and multiplying the signal by a suppression function in a predefined time window around this time, until the amplitude of the remaining maximum falls below a predefined threshold value or until the number of events found exceeds a predefined limit and, within the descending order of amplitudes of all found events, starting at the nth event, where n is the minimum number of events to be detected, the most significant jump is searched for and all events with amplitudes, who are behind this jump, are discarded.

Im ersten Schritt wird das am deutlichsten ausgeprägte Ereignis detektiert. Durch die Multiplikation mit der Unterdrückungsfunktion wird einerseits verhindert, dass das selbe Ereignis ein zweites mal detektiert wird, andererseits kann auch der minimale Abstand zwischen zwei Ereignissen mit Hilfe der Breite der Unterdrückungsfunktion bestimmt werden. Wurde das am deutlichsten ausgeprägte Ereignis unterdrückt, wird im zweiten Schritt das am zweitdeutlichsten ausgeprägte Ereignis erkannt und so weiter. Die Suche wird fortgesetzt, bis mit hoher Sicherheit alle tatsächlich zu detektierenden Ereignisse - und im Allgemeinen auch noch mehrere Zeitpunkte, die tatsächlich keinen solchen Ereignissen entsprechen - erkannt wurden.In the first step, the most pronounced event is detected. On the one hand, the multiplication with the suppression function prevents the same event being detected a second time, on the other hand, the minimum distance between two events can also be determined with the aid of the width of the suppression function. If the most pronounced event was suppressed, the second most pronounced event is recognized in the second step and so on. The search continues until with great certainty all events actually to be detected - and in general also several times that actually do not correspond to such events - were detected.

Durch Sortieren der Ereignisse nach ihren Amplitudenwerten werden die am deutlichsten ausgeprägten Ereignisse ganz am Anfang, die am wenigsten deutlichen (bzw. zu viel detektierten) am Schluss aufgelistet. Gesuchte Ereignisse sollten ähnliche und hohe Amplitudenwerte aufweisen, das restliche Biosignal geringe Werte. Durch Bestimmung des deutlichsten Sprungs in der Auflistung aller Amplitudenwerte können die gesuchten von den zusätzlich gefundenen Ereignissen getrennt werden.Sorting the events by their amplitude values lists the most pronounced events at the very beginning, the least obvious (or too much detected) at the end. Searched events should have similar and high amplitude values, the remaining biosignal low values. By determining the most significant jump in the listing of all amplitude values, the sought-after events can be separated from the additionally found events.

Um beim Bestimmen des Maximums innerhalb des Biosignals auch tatsächlich die gesuchten Ereignisse zu detektieren, kann eine vorangehende Transformation des Signals notwendig sein. 3 AT 504 167 B1In order to actually detect the events sought when determining the maximum within the biosignal, a preceding transformation of the signal may be necessary. 3 AT 504 167 B1

Bei der Transformation kann es sich um eine Filterung, um eine Ableitung des Signals nach der Zeit, um die Berechnung des Absolutwertes des Signals oder auch um eine Fourier- oder Wa-velet-Transformation etc. handeln. Eine weitere Möglichkeit wäre die Kombination mehrerer Kanäle zu einem einzigen Signal. Auch können mehrere derartige Schritte hintereinander ausgeführt werden (z.B. Filterung im Bereich 10-30 Hz, Ableitung nach der Zeit und danach Berechnung des Absolutbetrages). Ziel der Transformation ist es, dass das transformierte Signal zu den Zeitpunkten der zu detektierenden Ereignisse im Vergleich mit nicht detektionswürdigen Ereignissen hohe Amplituden aufweist, also generell, das Signal/Rausch-Verhältnis zu vergrößern.The transformation may be a filtering, a derivative of the signal with respect to time, the calculation of the absolute value of the signal or else a Fourier or Wa-velet transformation etc. Another option would be to combine multiple channels into a single signal. Also, a plurality of such steps may be carried out in succession (e.g., filtering in the 10-30 Hz range, derivative by time, and then calculating the absolute value). The goal of the transformation is that the transformed signal has high amplitudes at the times of the events to be detected in comparison with events that are not worthy of detection, ie generally to increase the signal-to-noise ratio.

Bei langen Signalen kann das Signal vor der Detektion in kürzere Signalblöcke, z.B. zu je 60 Sekunden, zerlegt werden und für jeden Kanal getrennt nach Ereignissen gesucht werden.For long signals, the signal may be converted into shorter signal blocks, e.g. 60 seconds apart, and be searched separately for each channel for events.

Im Falle von mehr als nur einem Signal-Kanal kann das Verfahren für jeden Kanal getrennt angewandt werden. Danach können unterschiedliche Methoden zur Auswahl von gültigen Ereignissen verwendet werden. So kann z.B. nur jener Kanal herangezogen werden, bei dem der deutlichste Sprung innerhalb der sortierten Amplitudenwerte aller Ereignisse gefunden wurde. Oder es können nur Ereignisse gewählt werden, die auf einer vordefinierten Mindestanzahl an Kanälen gefunden wurden.In case of more than one signal channel, the method can be applied separately for each channel. Thereafter, different methods for selecting valid events can be used. Thus, e.g. only those channels are used, in which the clearest jump within the sorted amplitude values of all events was found. Or you can only select events that have been found on a predefined minimum number of channels.

Zur Beschleunigung des Verfahrens kann im Fall mehrerer Kanäle und blockweiser Signal-Zerlegung nur für den ersten Block nach dem Kanal mit dem deutlichsten Sprung innerhalb der sortierten Amplitudenwerte aller Ereignisse gesucht werden, und für alle anderen Blöcke dann dieser Kanal verwendet werden. Alternativ kann diese Kanal-Auswahl nach jeweils einer vordefinierten Anzahl an Blöcken durchgeführt werden. Oder aber es wird immer dann nach dem idealen Kanal gesucht, wenn der deutlichste Sprung signifikant geringer wurde, wenn die Regelmäßigkeit der gefundenen Ereignisse stark nachgelassen hat, oder wenn andere Maße für die Sicherheit des Ergebnisses deutlich reduziert sind.To speed up the method, in the case of multiple channels and block-wise signal decomposition, only the first block can be searched for the channel with the clearest jump within the sorted amplitude values of all events, and for all other blocks this channel can then be used. Alternatively, this channel selection can be carried out after a predefined number of blocks. Or else, the ideal channel is searched for whenever the most significant jump has decreased significantly, when the regularity of the found events has greatly decreased, or when other measures for the safety of the result are significantly reduced.

Eine weitere Möglichkeit zur Beschleunigung des Verfahrens liegt darin, dass zuerst alle Signalwerte, die unter dem vordefinierten Schwellwert liegen, markiert werden und in der Folge während der Suche nach Maxima und auch beim Multiplizieren mit der Unterdrückungsfunktion nicht mit berücksichtigt werden.Another possibility for speeding up the method is that first all signal values which lie below the predefined threshold value are marked and are consequently not taken into account during the search for maxima and also when multiplying with the suppression function.

In der Zeichnung ist eine mögliche Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm des Verfahrens. In Fig. 2 wird das Signal und die Folge detektierter Maximalwerte zu verschiedenen Zeitpunkten während der Detektion dargestellt.In the drawing, a possible embodiment of the invention is shown. Fig. 1 shows a block diagram of the method. In Fig. 2, the signal and the sequence of detected maximum values are shown at different times during the detection.

Das aufgezeichnete Signal 1 wird zuerst mit einer Transformation 2 in ein verändertes Signal 3 transformiert. Im zweiten Schritt wird im Maximum-Detektor 4 der Messwert mit maximaler Amplitude 5 im transformierten Signal 3 detektiert und dieser Zeitpunkt und der zugehörige Amplitudenwert werden gespeichert 6.The recorded signal 1 is first transformed with a transformation 2 into an altered signal 3. In the second step, the measured value with maximum amplitude 5 is detected in the transformed signal 3 in the maximum detector 4, and this time and the associated amplitude value are stored 6.

Danach wird eine Multiplikation 8 des Signals im Bereich um das gefundene Ereignis mit einer Unterdrückungsfunktion 7 durchgeführt. Diese Unterdrückungsfunktion kann beispielsweise das Signal im Bereich von 150ms direkt vor und nach dem Ereignis auf Null setzen (rechteckige Unterdrückungsfunktion). Zusätzlich kann außerhalb dieses Fensters, in dem das Signal ganz auf Null gesetzt wird, auch ein Fenster definiert werden, in dem das Signal mit Werten, die von Null auf Eins ansteigen, multipliziert werden (trapezförmige Unterdrückungsfunktion). Beliebige andere Unterdrückungsfunktionen sind ebenfalls möglich.Thereafter, a multiplication 8 of the signal in the area around the found event is performed with a suppression function 7. For example, this suppression function can set the signal in the range of 150 ms directly before and after the event to zero (rectangular suppression function). In addition, outside this window, where the signal is set to zero, a window can also be defined in which the signal is multiplied by values increasing from zero to one (trapezoidal suppression function). Any other suppression functions are also possible.

Anschließend wird in einer Abfrage 10 überprüft, ob noch nicht die maximale Anzahl an Ereignissen gefunden wurde und ob noch Signalwerte, die höher als eine Mindestschwelle sind, im verbleibenden Signal 9 Vorkommen. Ist keine der beiden Abbruchbedingungen erfüllt, wird im verbleibenden Signal das nächste Maximum detektiert.Subsequently, it is checked in a query 10 whether the maximum number of events has not yet been found and whether signal values which are higher than a minimum threshold are still present in the remaining signal 9. If neither of the two termination conditions is fulfilled, the next maximum is detected in the remaining signal.

Claims

4 AT 504 167 B1 Otherwise, all found events are sorted according to their amplitude value. 13-19 represent the sequence of points represented after detection of the first to seventh maximum. Within the final sequence 19 of values, starting from the xth event, where x is the minimum number of events to be detected, the jump detection 11 is used searched for the clearest jump 20. The determination of this jump can be carried out, for example, by forming the first derivative of this series and selecting the maximum of the derivative series (absolute largest change). Also, before determining the maximum, the derived series may be divided by the values of the original series (relatively largest change). Finally, in event selection 12, all events that are behind this jump are discarded. Claims 1. A method for detecting repeated events of biosignals occurring at relatively regular intervals, characterized in that - the time and the amplitude of the maximum amplitude value of the signal are repeatedly stored as an event and the signal in a predefined time window at this time with a suppression function is multiplied until the amplitude of the remaining maximum falls below a predefined threshold or until the number of events found exceeds a predefined limit and - that within the descending sorted amplitudes of all found events, starting at the nth event, where n is the minimum number of times corresponds to events to be detected, the most significant jump is searched for and all events with amplitudes that lie behind this jump are discarded.

2. The method according to claim 1, characterized in that - the biosignal is previously transformed by methods of signal processing, such as time derivative, absolute value calculation, Fourier or wavelet transformation, etc., into a modified signal.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that - the biosignal is divided before the search for events in time-limited blocks and the event detection is carried out separately for each block after another.

4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that - the width and shape of the suppression function depends on the properties of the signal.

5. The method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that, in the case of multi-channel biosignals, the events are first detected separately with each channel, but at the end only those events are found which were found on that channel where the most significant jump within the sorted amplitudes of this channel could be found.

6. The method of claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that - in the case of multi-channel biosignals Although first the events are detected separately with each channel, but at the end only those events are kept on a predefined minimum number of channels were.

7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that - only for special blocks, the detection is performed with all channels, for all other blocks but only with the most reliable detected channels.

8. The method according to claim 7, characterized in that also in the case that whenever the detection with the most reliable channel for a signal block brings a little reliable result, all channels are used for determining the events.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that - only those values for maximum determination and for multiplication with the suppression function are used to accelerate the method, which are above the predefined threshold value. For this purpose 1 sheet of drawings