ES2276594B1 - METHOD FOR PROCESSING PHOTOPLETISMOGRAPHIC SIGNS OBTAINED FROM A PERSON OR ANIMAL, AND OXIMETER THAT USES SUCH METHOD. - Google Patents
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Abstract
Método para procesar señales fotopletismográficas obtenidas de una persona o animal, y oxímetro que utiliza dicho método. El método comprende: a) recibir unas señales eléctricas fotopletismográficas con dominio temporal, b) transformar dichas señales temporales en señales espectrales, c) identificar una serie de picos candidatos a pico producido a la frecuencia cardiaca, d) obtener una serie de parámetros a partir de dichos picos candidatos, y e) determinar a partir de dichos parámetros cuál es el pico representativo de dicha frecuencia cardiaca, realizándose dicha etapa d) para obtener un primer, un segundo y un tercer parámetros mediante unos cálculos ejecutados en paralelo, siendo: - dicho primer parámetro resultante de una función de probabilidad de armónicos de dichos picos candidatos, - dicho segundo parámetro resultante de una función de preponderancia, en energía, de dichos picos candidatos, y - dicho tercer parámetro resultante de una función de análisis histórico de dichos picos candidatos.Method to process photoplethysmographic signals obtained from a person or animal, and oximeter that uses said method. The method comprises: a) receiving photoplethysmographic electrical signals with temporal domain, b) transforming said temporary signals into spectral signals, c) identifying a series of candidate peaks at peak produced at heart rate, d) obtaining a series of parameters from of said candidate peaks, and e) determine from said parameters which is the representative peak of said heart rate, said step d) being carried out to obtain a first, a second and a third parameter by means of calculations executed in parallel, being: - said first parameter resulting from a harmonic probability function of said candidate peaks, - said second parameter resulting from a preponderance function, in energy, of said candidate peaks, and - said third parameter resulting from a historical analysis function of said candidate peaks .
Description
Método para procesar señales fotopletismográficas obtenidas de una persona o animal, y oxímetro que utiliza dicho método.Method to process signals photoplethysmography obtained from a person or animal, and oximeter which uses that method.
La presente invención concierne en general, en un primer aspecto, a un método para obtener parámetros fisiológicos en tiempo real a partir de unas señales fotopletismográficas IPPG) medidas por sensores ópticos, y en particular a un método para obtener el valor del ritmo cardiaco a partir de esas señales fotopletismográficas, incluso en situaciones extremas como es durante la realización continua de movimientos durante la práctica de ejercicios.The present invention generally concerns, in a first aspect, to a method to obtain physiological parameters in real time from IPPG photoplethysmographic signals) measured by optical sensors, and in particular to a method for get the heart rate value from those signals photoplethysmography, even in extreme situations such as during continuous movement movements during practice of exercises
La invención también concierne, en un segundo aspecto, a un oxímetro apto para procesar señales fotopletismográficas según el método propuesto.The invention also concerns, in a second aspect, to an oximeter suitable for processing signals photoplethysmography according to the proposed method.
Es conocido que una de las mayores dificultades de la oximetría de pulso es la obtención de valores fiables del ritmo cardiaco y la saturación de oxígeno durante la realización de movimientos por parte del individuo. La oximetría de pulso se basa en la medida de la radiación luminosa en dos longitudes de onda determinadas después de interaccionar con la sangre arterial, la sangre venosa y el resto de tejidos existentes en la zona de medida. Se utiliza generalmente radiación en la zona del rojo e infrarrojo cercano y en configuración por reflexión o transmisión.It is known that one of the greatest difficulties of pulse oximetry is obtaining reliable values of the heart rate and oxygen saturation during the performance of movements by the individual. Pulse oximetry is based in the measurement of light radiation in two wavelengths determined after interacting with arterial blood, the venous blood and other tissues in the area of measure. Radiation is generally used in the red zone and near infrared and in configuration by reflection or transmission.
La variación del volumen de sangre en las arterias por el bombeo del corazón permite obtener una señal luminosa variable relacionada con el ritmo cardiaco y con la hemoglobina. Los oxímetros de pulso existentes según propia experiencia y los datos obtenidos en la literatura ofrecen un valor del ritmo cardiaco falso durante la práctica de ejercicio. Esto se debe a que el movimiento del individuo o de alguna parte de su cuerpo provoca la aparición de artefactos en la señal fotopletismográfica medida por el sensor del oxímetro de pulso. La realización continua de movimientos, como es el caso durante la práctica de ejercicios, hace que en general no se obtengan valores fiables del ritmo cardiaco o de la saturación de oxígeno. Esta limitación no permite el uso fiable de los oxímetros de pulso durante el ejercicio, impidiendo la medida de estos parámetros que serían de gran utilidad durante la práctica deportiva y principalmente durante el entrenamiento.The variation of blood volume in the arteries by pumping the heart allows to obtain a signal luminous variable related to heart rhythm and hemoglobin. The existing pulse oximeters according to own experience and data obtained in the literature offer value of false heart rhythm during exercise. This is because the movement of the individual or some part of his body causes the appearance of artifacts in the signal photoplethysmographic measured by the pulse oximeter sensor. The continuous movement, as is the case during practice of exercises, makes that in general no values are obtained Reliable heart rate or oxygen saturation. This limitation does not allow the reliable use of pulse oximeters during the year, preventing the measurement of these parameters that they would be very useful during sports and Mainly during training.
Se conocen diferentes propuestas relativas al procesamiento de señales fotopletismográficas con el fin de averiguar información relativa a una condición fisiológica de un paciente, preferentemente la frecuencia cardiaca y la saturación de oxígeno.Different proposals regarding the photoplethysmographic signal processing in order to find out information regarding a physiological condition of a patient, preferably heart rate and saturation of oxygen.
La solicitud US-A-20040171948 concierne a un método para procesar señales fotopletismográficas en diferentes dominios: temporal, espectral y cepstral, y en base a los resultados de los análisis de las señales en uno o más de dichos dominios, estimar una o más condiciones fisiológicas de un paciente, así como los artefactos de movimiento en el dominio temporal incluidos en la señal fotopletismográfica.Application US-A-20040171948 concerns a method to process photoplethysmographic signals in different domains: temporal, spectral and cepstral, and based on results of the analysis of the signals in one or more of said domains, estimate one or more physiological conditions of a patient, as well as motion artifacts in the temporal domain included in the photoplethysmographic signal.
La solicitud US-A-20030163032 concierne a un método para eliminar artefactos de movimiento de unas señales eléctricas representativas de unas señales de luz atenuada, tales como las correspondientes a unas señales fotopletismográficas, mediante la transformación de dichas señales en un dominio espectral, la identificación de unos picos candidatos de entre los datos espectrales de dichas señales, su correspondiente filtrado, y su análisis en base a una serie de parámetros para finalmente averiguar el pico correspondiente a la frecuencia cardiaca del paciente cuyas señales fotopletismográficas son objeto de análisis.Application US-A-20030163032 concerns a method to eliminate motion artifacts from signals electrical signals of attenuated light signals, such such as those corresponding to photoplethysmographic signals, by transforming these signals into a domain spectral, the identification of some candidate peaks among the spectral data of said signals, their corresponding filtering, and its analysis based on a series of parameters to finally find out the peak corresponding to the heart rate of the patient whose photoplethysmographic signals are subject to analysis.
Aparece necesario ofrecer una alternativa al estado de la técnica enfocada a averiguar de una manera fiable y en todo momento la frecuencia cardiaca de una persona o animal mediante el análisis de unas señales fotopletismográficas contaminadas con interferencias o artefactos, especialmente los producidos en situaciones de movimiento continuo, o con múltiples estados de transición, como los llevados a cabo durante la práctica de ejercicio físico.It seems necessary to offer an alternative to state of the art focused on finding out in a reliable way and in at all times the heart rate of a person or animal by analyzing photoplethysmographic signals contaminated with interference or artifacts, especially produced in situations of continuous movement, or with multiple transition states, such as those carried out during practice of physical exercise
La presente invención concierne, en un primer aspecto, a un método para procesar señales fotopletismográficas obtenidas por un sensor de un oxímetro de pulso, mediante la aplicación del cual es posible obtener de una manera fiable el ritmo cardiaco incluso cuando el individuo realiza ejercicios.The present invention concerns, in a first aspect, to a method to process photoplethysmographic signals obtained by a pulse oximeter sensor, by means of the application of which it is possible to reliably obtain the heart rate even when the individual performs exercises.
En un segundo aspecto, la presente invención concierne a un oxímetro adaptado para procesar señales fotopletismográficas según el método propuesto por el primer aspecto de la presente invención.In a second aspect, the present invention concerns an oximeter adapted to process signals photoplethysmography according to the method proposed by the first aspect of the present invention.
El método propuesto según el primer aspecto de la presente invención tiene su aplicación en el procesamiento de señales fotopletismográficas obtenidas de una persona o animal, con el fin de averiguar como mínimo la frecuencia cardiaca del mismo.The proposed method according to the first aspect of The present invention has its application in the processing of photoplethysmographic signals obtained from a person or animal, with in order to find out at least the heart rate of the same.
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En particular el método propuesto comprende emitir, sobre una zona irrigada por capilares sanguíneos, como puede ser un dedo u otro órgano de dicha persona o animal, dos o más señales luminosas para obtener en respuesta dichas señales fotopletismográficas, mediante la detección con al menos un fotodetector de dichas señales luminosas, una vez han atravesado dicha zona.In particular the proposed method comprises emit, on an area irrigated by blood capillaries, such as it may be a finger or other organ of said person or animal, two or more light signals to obtain these signals in response photoplethysmography, by detection with at least one photodetector of said light signals, once they have gone through said area.
Dichas señales luminosas emitidas proceden preferentemente de LEDs o láseres de distintas longitudes de onda, comprendidas entre 630 y 980 nm, siendo como mínimo una de ellas infrarroja.These emitted light signals proceed preferably of LEDs or lasers of different wavelengths, between 630 and 980 nm, at least one of them infrared
El método es particularmente aplicable al procesamiento de señales fotopletismográficas que contienen armónicos de distintas frecuencias, algunos de los cuales han sido producidos por artefactos representativos del movimiento de dicha persona o animal, ya sea por movimiento de brazos, piernas y/o patas de dicha persona o animal, provocado al andar o correr, que generan unos armónicos a frecuencias distintas a la cardiaca, que varía según la intensidad de la marcha o carrera.The method is particularly applicable to photoplethysmographic signal processing containing harmonics of different frequencies, some of which have been produced by artifacts representative of the movement of said person or animal, either by movement of arms, legs and / or legs of said person or animal, caused by walking or running, that generate harmonics at frequencies other than cardiac, which varies according to the intensity of the march or race.
Dicho movimiento provocado al andar o correr se genera, por ejemplo, al realizar una actividad deportiva que requiere medir frecuencias cardiacas en condiciones de esfuerzo continuado y extremo, muy diferentes a las medidas en condiciones de reposo.Said movement caused by walking or running is generates, for example, when performing a sports activity that it requires measuring heart rates under stress conditions continued and extreme, very different from the measures in conditions resting
Con el fin de discernir de entre dichas señales fotopletismográficas contaminadas por los mencionados artefactos producidos por el movimiento, cuál es la señal que hace referencia al ritmo cardiaco de la persona o animal, el método propuesto comprende realizar, según técnica en sí conocida, las siguientes etapas de manera secuencial:In order to discern between these signals photoplethysmography contaminated by the aforementioned artifacts produced by the movement, what is the signal that refers at the heart rate of the person or animal, the proposed method comprises performing, according to known technique, the following stages sequentially:
a) recibir unas señales eléctricas fotopletismográficas en un dominio temporal,a) receive electrical signals photoplethysmographic in a temporal domain,
b) transformar dichas señales temporales en señales con un dominio en frecuencia, o señales espectrales,b) transform said temporary signals into signals with a frequency domain, or spectral signals,
c) identificar una serie de picos candidatos a ser el pico producido a dicha frecuencia cardiaca, de entre parte o todas dichas señales espectrales,c) identify a series of candidate peaks to be the peak produced at said heart rate, between or all such spectral signals,
d) obtener una serie de parámetros a partir de dichos picos candidatos, yd) obtain a series of parameters from said candidate peaks, and
e) determinar a partir de al menos uno de dichos parámetros obtenidos en d) cuál es el pico representativo de dicha frecuencia cardiaca, o pico buscado.e) determine from at least one of said parameters obtained in d) what is the representative peak of said heart rate, or peak sought.
El método propuesto por el primer aspecto de la presente invención comprende realizar dicha etapa d) para obtener como mínimo un primer y un segundo parámetros mediante unos cálculos realizados en paralelo, siendo:The method proposed by the first aspect of the The present invention comprises performing said step d) to obtain at least a first and a second parameter by means of parallel calculations, being:
- dicho primer parámetro resultante de una función de probabilidad de armónicos de dichos picos candidatos, consistente en una comparación, dos a dos, de los mismos, que ofrece como resultado una serie de valores para el primer parámetro, y- said first parameter resulting from a harmonic probability function of said candidate peaks, consisting of a comparison, two to two, of the same, that offers as a result a series of values for the first parameter, and
- dicho segundo parámetro resultante de una función de preponderancia, en energía, de dichos picos candidatos, consistente en una comparación, dos a dos, de los mismos, que ofrece como resultado una serie de valores para el segundo parámetro.- said second parameter resulting from a preponderance function, in energy, of said candidate peaks, consisting of a comparison, two to two, of the same, that offers as a result a series of values for the second parameter.
El método propuesto comprende por último asignar, en dicha etapa e), a dicho pico determinado como representativo de dicha frecuencia cardiaca un coeficiente de confianza.The proposed method finally comprises assign, at said stage e), to said determined peak as representative of said heart rate a coefficient of trust.
Para un ejemplo de realización preferida el método comprende además realizar dicha etapa d) para un tercer parámetro a obtener en base a unos cálculos realizados en paralelo con los realizados para obtener dichos primer y segundo parámetros, siendo dicho tercer parámetro resultante de una función de análisis histórico de dichos picos candidatos, consistente en una comparación de al menos el pico determinado como representativo de la frecuencia cardiaca en dicha etapa e), para un ciclo anterior, el cual tiene asignado un coeficiente de confianza de un valor alto, con dichos picos candidatos, para buscar el pico de la misma frecuencia o de la frecuencia más próxima a la de dicho pico determinado en dicha etapa anterior e), y asignarle un coeficiente de probabilidad de que sea el pico buscado resultado de devaluar dicho coeficiente de confianza alto en un porcentaje determinado que es inversamente proporcional a la cercanía de ambas frecuencias.For a preferred embodiment example the method further comprises performing said step d) for a third parameter to obtain based on some calculations made in parallel with those made to obtain said first and second parameters, said third parameter being resulting from an analysis function history of these candidate peaks, consisting of a comparison of at least the peak determined as representative of the heart rate at said stage e), for an earlier cycle, which is assigned a confidence coefficient of a value high, with these candidate peaks, to look for the peak of it frequency or the frequency closest to that peak determined in said previous stage e), and assign a coefficient of probability that it is the sought peak result of devaluing said high confidence coefficient in a certain percentage that is inversely proportional to the proximity of both frequencies
Por lo que se refiere a dicha etapa e), el método conforme a una implementación preferida comprende llevarla a cabo mediante su división en dos sub-etapas:As regards said stage e), the method according to a preferred implementation comprises bringing it to out through its division into two sub-stages:
- una primera sub-etapa e.1), o etapa de preselección, consistente en analizar los valores obtenidos para como mínimo dichos primer y segundo parámetros, y preferentemente también dicho tercer parámetro, y seleccionar un único pico candidato para cada parámetro, en función de dicho análisis, y- a first sub-stage e.1), or preselection stage, consisting of analyzing the values obtained for at least said first and second parameters, and preferably also said third parameter, and select a single candidate peak for each parameter, depending on that analysis, and
- una sub-etapa e.2) o selección final para determinar, de entre cada pico seleccionado por cada parámetro, dicho pico representativo de dicha frecuencia cardiaca, o pico buscado.- a sub-stage e.2) or selection final to determine, between each peak selected for each parameter, said peak representative of said heart rate, or peak sought.
Para un ejemplo de realización preferido, dicha sub-etapa e.1) comprende:For a preferred embodiment example, said sub-stage e.1) includes:
- para seleccionar el pico candidato para el primer parámetro:- to select the candidate peak for the first parameter:
- \bullet?
- ordenar, en función de su contenido armónico, los picos determinados como pertenecientes a frecuencias fundamentales, en base a los valores obtenidos tras dicha comparación de dicha función de probabilidad de armónicos,order, depending on your harmonic content, the peaks determined as belonging to fundamental frequencies, based on the values obtained after said comparison of said probability function of harmonics,
- \bullet?
- asignarles un coeficiente de probabilidad a cada uno de ellos tanto mayor cuanto menor sea su contenido armónico,assign them a coefficient of probability to each of them the higher the lower their harmonic content,
- \bullet?
- ponderar dichos coeficientes de probabilidad de cada uno de los picos con la amplitud de sus respectivas fundamentales, yweight these coefficients of probability of each of the peaks with the amplitude of their respective fundamentals, and
- \bullet?
- determinar el pico con probabilidad más alta como el pico candidato para el primer parámetro,determine the peak with highest probability as the candidate peak for the first parameter,
- para seleccionar el pico candidato para el segundo parámetro:- to select the candidate peak for the second parameter:
- \bullet?
- determinar el pico determinado como más preponderante previa asignación de un coeficiente de probabilidad, en base a los valores obtenidos tras dicha comparación de dicha función de preponderancia, como el pico candidato para el segundo parámetro.determine the determined peak as more preponderant prior assignment of a coefficient of probability, based on the values obtained after said comparison of said preponderance function, such as the peak Candidate for the second parameter.
- para seleccionar el pico candidato para el tercer parámetro:- to select the candidate peak for the third parameter:
- \bullet?
- determinar dicho pico de la misma frecuencia o de la frecuencia más próxima a la de dicho pico determinado en dicha etapa anterior e), como el pico candidato para el tercer parámetro.determine said peak of the same frequency or the frequency closest to that peak determined in said previous stage e), as the candidate peak for The third parameter.
Y para realizar dicha etapa e.2), el método propuesto comprende llevar a cabo las siguientes acciones:And to perform said stage e.2), the method Proposed includes carrying out the following actions:
- si los tres picos candidatos para los tres parámetros son el mismo, seleccionar éste como pico buscado, y asignarle un coeficiente de confianza igual al producto de los tres coeficientes de probabilidades asociados,- if the three candidate peaks for the three parameters are the same, select this as the desired peak, and assign a confidence coefficient equal to the product of the three associated probability coefficients,
óor
- si solamente dos de los tres picos candidatos para los tres parámetros son el mismo, seleccionar éste como pico buscado, si la suma de los dos coeficientes de probabilidades asociados es mayor que el coeficiente de probabilidad del pico candidato diferente a dichos dos picos coincidentes,- if only two of the three candidate peaks for all three parameters are the same, select this as peak searched, if the sum of the two probability coefficients associated is greater than the coefficient of probability of the peak different candidate to said two matching peaks,
óor
- si ninguno de los tres picos candidatos para los tres parámetros son el mismo, seleccionar el pico candidato cuyo coeficiente de probabilidad sea mayor como pico buscado.- if none of the three candidate peaks for The three parameters are the same, select the candidate peak whose probability coefficient is higher as the sought peak.
Una vez determinada la frecuencia cardiaca, el método comprende calcular el nivel de saturación de oxígeno en base a una o más de dichas señales fotopletismográficas cuya frecuencia es la de dicho pico buscado determinado en la etapa e).Once the heart rate is determined, the method comprises calculating the level of oxygen saturation based to one or more of said photoplethysmographic signals whose frequency it is that of said sought peak determined in step e).
La presente invención concierne, en un segundo aspecto, a un oxímetro del tipo que comprende como mínimo:The present invention concerns, in a second aspect, to an oximeter of the type comprising at least:
- dos emisores de señales luminosas de distintas longitudes de onda, adaptados para emitir sobre una zona irrigada por capilares sanguíneos de una persona o animal,- two emitters of different light signals wavelengths, adapted to emit over an irrigated area by blood capillaries of a person or animal,
- uno o más fotodetectores adaptados para detectar dichas señales luminosas, una vez han atravesado dicha zona irrigada por capilares sanguíneos, y- one or more photodetectors adapted for detect said light signals, once they have passed through said area irrigated by blood capillaries, and
- un sistema electrónico apto para como mínimo muestrear, tratar y procesar unas señales eléctricas provinentes de dicho o dichos fotodetectores, o señales fotopletismográficas.- an electronic system suitable for at least sample, process and process electrical signals from said or said photodetectors, or photoplethysmographic signals.
El oxímetro propuesto según el segundo aspecto de la presente invención se caracteriza porque el mencionado sistema electrónico que incorpora está adaptado para procesar dichas señales fotopletismográficas para poner en práctica el método propuesto por el primer aspecto de la presente invención, es decir que incorpora medios específicos destinados a realizar los cálculos y/o tratamientos de las señales adquiridas, gestión de parámetros, etc.The proposed oximeter according to the second aspect of the present invention is characterized in that said electronic system that incorporates is adapted to process said photoplethysmographic signals to implement the method proposed by the first aspect of the present invention, is say that it incorporates specific means to carry out the calculations and / or treatments of acquired signals, management of parameters, etc.
Las anteriores y otras características se comprenderán mejor a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:The above and other features are will understand better from the following detailed description of some embodiments with reference to the drawings Attachments, in which:
la Fig. 1 es un diagrama de flujos ilustrativo de las etapas principales del método propuesto según el primer aspecto de la presente invención para un ejemplo de realización,Fig. 1 is an illustrative flow chart of the main stages of the proposed method according to the first aspect of the present invention for an example of realization,
la Fig. 2 es una gráfica que muestra parte del contenido espectral de una señal fotopletismográfica contaminada con señales de ruido o artefactos de movimiento, para un ejemplo de realización,Fig. 2 is a graph showing part of the spectral content of a contaminated photoplethysmographic signal with noise signals or motion artifacts, for an example of realization,
la Fig. 3 es una gráfica relativa a una función de probabilidad de armónico I(x), cuyo resultado es el mencionado primer parámetro, para un ejemplo de realización,Fig. 3 is a graph relative to a function of harmonic probability I (x), whose result is the mentioned first parameter, for an embodiment example,
la Fig. 4 es una gráfica relativa a una función de preponderancia p(x), cuyo resultado es el mencionado segundo parámetro, para un ejemplo de realización, yFig. 4 is a graph relative to a function of preponderance p (x), whose result is the one mentioned second parameter, for an embodiment example, and
la Fig. 5 es un diagrama de flujos de las etapas del método propuesto, más detallado que el de la Fig. 1, para un ejemplo de realización.Fig. 5 is a flow chart of the stages of the proposed method, more detailed than that of Fig. 1, for a embodiment example.
El método para obtener el ritmo cardiaco durante la realización de ejercicios se basa en la obtención de la frecuencia de la parte variable de la señal fotopletismográfica (PPG). En el caso de un individuo en reposo las variaciones periódicas de intensidad del PPG sólo son debidas a las variaciones de absorción de la señal por la sangre arterial asociadas a la variación del volumen sanguíneo por el bombeo cardiaco. Esta medida se realiza, en general, mediante la realización de la transformada rápida de Fourier (FFT) a la señal PPG. La realización de movimientos del individuo, como por ejemplo durante la carrera, conlleva la aparición de señales (artefactos) periódicas, que en el intervalo de frecuencias cardiacas accesibles pueden ser de frecuencias parecidas a la frecuencia de braceo o pasos. Esto hace que una medida de la frecuencia de la señal PPG proporcione unos valores aleatorios de frecuencias relacionadas con la superposición de las señales debidas al ritmo cardiaco y a los movimientos realizados.The method to obtain the heart rate during performing exercises is based on obtaining the frequency of the variable part of the photoplethysmographic signal (PPG) In the case of an individual at rest the variations PPG intensity periods are only due to variations of absorption of the signal by arterial blood associated with variation of blood volume by cardiac pumping. This measure it is done, in general, by performing the transform Fast Fourier (FFT) to the PPG signal. The realization of individual movements, such as during the race, entails the appearance of periodic signals (artifacts), which in the Accessible heart rate range can be frequencies similar to the frequency of scuffing or steps. This does that a measure of the frequency of the PPG signal provide about random values of overlap-related frequencies of the signals due to heart rate and movements made.
Para discriminar entre la señal útil (fotopletismográfica) y la señal debida a artefactos de movimiento, para la concepción del método propuesto según el primer aspecto de la presente invención se ha utilizado una estrategia basada en la discriminación del contenido armónico de dichas señales. Las señales se pueden, de hecho, considerar periódicas en intervalos de unas decenas de segundos; la forma de onda de la señal fotopletismográfica es más o menos triangular y la de los artefactos de movimiento (según lo observado en medidas reales) resulta de tipo impulsivo o por lo menos con variaciones mucho más rápidas que en la primera.To discriminate between the useful signal (photoplethysmographic) and the signal due to motion artifacts, for the conception of the proposed method according to the first aspect of the present invention has used a strategy based on the discrimination of the harmonic content of said signals. The signs they can, in fact, be considered periodic at intervals of about tens of seconds; the signal waveform photoplethysmographic is more or less triangular and that of the motion artifacts (as observed in real measurements) it is impulsive or at least with much more variations Fast than in the first.
Este hecho se refleja en un contenido armónico mucho menor para la señal útil que para la señal no deseada, cosa que permite en principio separarlas e identificarlas.This fact is reflected in harmonic content. much less for the useful signal than for the unwanted signal, thing which allows in principle to separate and identify them.
Para un ejemplo de realización, el método comprende generar un espectro de amplitud de la señal sobre un intervalo de datos medidos durante los últimos segundos (ventana temporal) y recalcularlo frecuentemente, obteniendo un diagrama conocido como espectrograma de la señal medida. En paralelo, se examina cada uno de los espectros generados para extraer la información de las líneas espectrales presentes, eliminando el ruido. Finalmente, un algoritmo novedoso asocia cada línea con su fundamental; el conjunto de líneas se compara con el patrón previsto para la señal útil (bajo contenido armónico) de forma que ésta se pueda diferenciar de las otras. La información de amplitud de la señal pulsátil se obtiene directamente del valor de las líneas espectrales seleccionadas.For an exemplary embodiment, the method comprises generating a spectrum of signal amplitude over a data range measured during the last seconds (window temporal) and recalculate frequently, obtaining a diagram known as spectrogram of the measured signal. In parallel, it examines each of the spectra generated to extract the information of the spectral lines present, eliminating the noise. Finally, a novel algorithm associates each line with its fundamental; the set of lines is compared to the pattern provided for the useful signal (low harmonic content) so that This can be distinguished from the others. The amplitude information of the pulsatile signal is obtained directly from the value of the lines Selected spectral.
En detalle, el algoritmo mencionado se basa sobre el diagrama de flujos mostrado en la figura 1, representativo de las etapas principales del método propuesto según el primer aspecto de la presente invención para un ejemplo de realización.In detail, the aforementioned algorithm is based on the flow chart shown in figure 1, representative of the main stages of the proposed method according to the first aspect of the present invention for an example of realization.
A continuación se explica cada uno de los bloques del diagrama de la Fig. 1, y su relación con las etapas del método propuesto, expuestas arriba:The following explains each of the blocks of the diagram of Fig. 1, and their relationship with the stages of proposed method, set out above:
Flujo de datos: éste es el flujo de datos (valores de la función fotopletismográfica en función del tiempo), muestreado a una oportuna velocidad, que entran en la unidad de cálculo. En estos datos se selecciona una ventana de N puntos de una duración T_{0} predeterminados. Este bloque corresponde a la etapa a) mencionada arriba. Data flow: this is the data flow (values of the photoplethysmographic function as a function of time), sampled at a timely rate, entering the calculation unit. In this data window N points of a duration T {0} default is selected. This block corresponds to stage a) mentioned above.
FFT: este bloque ejecuta una transformada rápida de Fourier, proporcionando a su salida una señal constituida por el espectro de densidad espectral de potencia de la señal en una ventana de tiempo T_{0}; este tipo de señal se suele llamar "espectrograma". De este espectrograma se considerarán solo los M puntos que corresponden a frecuencias interesantes para el tipo de aplicación, incluidas entre 30 y 330 latidos por minuto (ppm), los cuales se encuentran representados por la Fig. 2. Este bloque corresponde a la etapa b) mencionada arriba. FFT: This block performs a fast Fourier transform and providing a signal output constituted by the spectrum power spectral density of the signal in a time window T _ {0}; This type of signal is usually called a "spectrogram." From this spectrogram, only the M points corresponding to interesting frequencies for the type of application will be considered, including between 30 and 330 beats per minute (ppm), which are represented by Fig. 2. This block corresponds to stage b ) mentioned above.
Detección de picos: este bloque se ocupa de la identificación de las "líneas" espectrales presentes en la señal proporcionada por el bloque anterior. Debido tanto a la presencia intrínseca de ruido electrónico y de interferencia electromagnética, como a los artefactos introducidos por la elaboración numérica del espectrograma mismo, es necesario identificar los denominados aquí "picos significativos" para separarlos del ruido. Este bloque corresponde a la etapa c) mencionada arriba y tal y como se ha indicado se aplica a parte de las señales espectrales, en concreto a las representadas por los mencionados M puntos. Peak detection: this block deals with the identification of the spectral "lines" present in the signal provided by the previous block. Due to both the intrinsic presence of electronic noise and electromagnetic interference, as well as the artifacts introduced by the numerical elaboration of the spectrogram itself, it is necessary to identify the so-called "significant peaks" here to separate them from noise. This block corresponds to the stage c) mentioned above and, as indicated, is applied to part of the spectral signals, in particular those represented by said M points.
La mencionada detección de picos se efectúa en cuatro pasos:The mentioned detection of peaks is carried out in four steps:
- 1.one.
- En el primer paso se identifica el valor más alto presente en el diagrama o espectrograma, lo cual permite obtener una escala general del diagrama; se denominará a este valor V_{MAX} (ver Fig. 2).In the first step the highest value present in the diagram or spectrogram is identified, which allows to obtain a general scale of the diagram; this value will be called V MAX (see Fig. 2).
- 2.2.
- En el segundo paso se dividen, a lo largo del eje horizontal, los datos del diagrama en secciones, cada una de ellas con P puntos (típicamente P es un número pequeño entre 3 y 9), y a cada sección se le asocia el valor medio de la amplitud del espectro en los puntos que la componen. Se denominará al diagrama obtenido "diagrama reducido". Sobre este diagrama se actúa con un algoritmo clásico de búsqueda de mínimos locales.In the second step, along the horizontal axis, the diagram data is divided into sections, each with P points (typically P is a small number between 3 and 9), and the average value is associated with each section of the amplitude of the spectrum in the points that compose it. The obtained diagram will be called "reduced diagram". This diagram acts with a classic algorithm for local minimum search.
- 3.3.
- En el tercer paso se "afina" la búsqueda, localizando para cada sección, que ha resultado elegida en el paso anterior, el máximo real en el diagrama completo.At third step "refines" the search, locating for each section, which was chosen in the previous step, the maximum real in the full diagram.
- 4.Four.
- Al final, se descartan los picos con valor, es decir energía, por debajo de V_{MAX}/K_{S}, siendo K_{S} el nivel esperado de ruido en la medida (típicamente alrededor de 20 dB).At the end, the peaks with value, that is energy, below V MAX / K_ {S} are discarded, with K_ {S} being the expected level of noise in the measurement (typically around 20 dB).
El paso 2 consigue rechazar, como picos separados, artefactos matemáticos que generan dos picos aparentes muy cercanos en el espectrograma; esto es debido, por ejemplo, a la interacción entre el algoritmo FFT y la ventana de filtrado (cuadrada, Hamming, Hanning, etc.) utilizada antes de dicho algoritmo. El paso 3 recupera (en parte) la resolución en frecuencia, y el paso 4 elimina picos locales de valor muy bajo generados por el ruido.Step 2 manages to reject, like spikes separate, mathematical artifacts that generate two apparent peaks very close on the spectrogram; This is due, for example, to the interaction between the FFT algorithm and the filtering window (square, Hamming, Hanning, etc.) used before said algorithm. Step 3 retrieves (in part) the resolution in frequency, and step 4 eliminates local peaks of very low value generated by noise
Un típico resultado de la aplicación de dicho algoritmo se encuentra indicado en la gráfica de la figura 2, donde los picos con el círculo en línea continua se han seleccionado como "válidos", y aquellos que aparecen en línea discontinua como "ruido".A typical result of the application of said algorithm is indicated in the graph of figure 2, where the peaks with the circle in continuous line have been selected as "valid", and those that appear in dashed line as "noise".
La salida del bloque "Detección de picos" es una lista ordenada de pares (frecuencia, valor) que identifica los picos. Estos datos se envían, en paralelo, a tres bloques separados, que son los siguientes.The output of the "Peak detection" block it is an ordered list of pairs (frequency, value) that identifies the peaks These data are sent, in parallel, to three blocks separated, which are the following.
Armónicos: en este bloque se efectúa la búsqueda de líneas que probablemente pertenecen a la misma señal. El algoritmo se basa en comparar las líneas espectrales entre ellas, dos a dos, calculando el cociente x=f_{A}/f_{B}, donde la primera frecuencia es la mayor de la pareja de picos en examen. Esta fracción se usa como entrada en una función de probabilidad de armónico I(x), cuya forma es estilizada en la gráfica de la figura 3. La salida de esta función se ha dado en llamar en el apartado anterior, como primer parámetro. Harmonics: in this block the search for lines that probably belong to the same signal is carried out. The algorithm is based on comparing the spectral lines between them, two by two, calculating the ratio x = f A / f B, where the first frequency is the highest of the pair of peaks under examination. This fraction is used as an input in a harmonic probability function I ( x ), whose shape is stylized in the graph of Figure 3. The output of this function has been called in the previous section, as the first parameter.
La salida de dicha función indica la probabilidad para la frecuencia f_{A} de ser un armónico de la frecuencia f_{B}. Este método, repetido para cada frecuencia, permite identificar cuales de las líneas identificadas son las que tienen más probabilidad de ser fundamentales, el contenido armónico de ellas (suma de los valores de las frecuencias que resultan probables armónicos), y un índice de fiabilidad de dicha evaluación (producto de las I(x) de dichos armónicos).The output of said function indicates the probability for the frequency f A of being a harmonic of the frequency f B. This method, repeated for each frequency, allows identifying which of the lines identified are the most likely to be fundamental, the harmonic content of them (sum of the values of the frequencies that are likely harmonic), and a reliability index of said evaluation (product of the I ( x ) of said harmonics).
Energía: este bloque también analiza los picos dos a dos, proporcionando un coeficiente que expresa cuanto cada pico es más significativo, en energía, del otro. Este coeficiente se llama preponderancia del pico mayor sobre el pico menor, y se calcula con una función de preponderancia que tiene el aspecto que se muestra en la figura 4. La salida de esta función se ha dado en llamar en el apartado anterior, como segundo parámetro. Energy: this block also analyzes peaks two to two, providing a coefficient that expresses how much each peak is more significant, in energy, than the other. This coefficient is called the preponderance of the major peak over the minor peak, and is calculated with a preponderance function that looks as shown in Figure 4. The output of this function has been called in the previous section, as the second parameter.
Historia: este bloque analiza la historia del valor del pico elegido, en instantes anteriores, como pico "valido" de la señal fotopletismográfica. Si en el paso anterior un pico había sido seleccionado por el bloque final con un coeficiente de confianza (ver descripción siguiente) igual a uno o muy cercano, y en el nuevo espectrograma se ha encontrado un pico muy cercano a él, este pico viene presentado al bloque siguiente como un candidato con alta probabilidad para ser el nuevo pico "bueno". La probabilidad que se le asigna es el valor de confianza devaluado por un coeficiente D (entre 10 y 50%). La salida de esta función se ha dado en llamar en el apartado anterior, como tercer parámetro. History: this block analyzes the history of the value of the chosen peak, in previous moments, as a "valid" peak of the photoplethysmographic signal. If in the previous step a peak had been selected by the final block with a confidence coefficient (see following description) equal to one or very close, and in the new spectrogram a peak was found very close to it, this peak is presented to the next block as a candidate with high probability to be the new "good" peak. The probability assigned to it is the confidence value devalued by a D coefficient (between 10 and 50%). The output of this function has been called in the previous section, as the third parameter.
Heurístico: este bloque toma la decisión de cual es el pico que representa el armónico fundamental de la señal fotopletismográfica basándose sobre la información proporcionada por los bloques anteriores. Es el encargado de llevar a cabo la anteriormente mencionada etapa e). Heuristic: this block makes the decision of which is the peak that represents the fundamental harmonic of the photoplethysmographic signal based on the information provided by the previous blocks. He is responsible for carrying out the aforementioned stage e).
Comprende con una serie de pasos, siendo los siguientes los concernientes a la mencionada sub-etapa e.1):Understand with a series of steps, being the following those concerning the aforementioned sub-stage e.1):
- \bullet?
- Se determina el candidato por armónicos: con todas las frecuencias que el bloque "Armónicos" ha determinado como fundamentales, se prepara una lista ordenada con el contenido armónico decreciente. Se asigna entonces una probabilidad creciente (tanto más alta cuanto menor sea el contenido armónico) a dichas frecuencias de ser la frecuencia elegida. Se pondera la probabilidad con la amplitud de la fundamental, quitando "méritos" a señales muy débiles. El pico con probabilidad más alta es el pico candidato por armónicos.The candidate is determined by harmonics: with all the frequencies that the "Harmonics" block has determined as fundamental, an ordered list is prepared with the decreasing harmonic content. An increasing probability (the higher the lower the harmonic content) is then assigned to these frequencies if it is the chosen frequency. Weigh the probability with the amplitude of the fundamental, removing "merits" to very weak signals. The peak with the highest probability is the candidate peak for harmonics.
- \bullet?
- Se determina un candidato por preponderancia: es el pico más alto, con su probabilidad, proporcionado por el bloque "Energía".A candidate is determined by preponderance: it is the highest peak, with its probability, provided by the "Energy" block.
- \bullet?
- Se determina el candidato por historia, proporcionado por el bloque "Historia".The candidate is determined by history, provided by the "History" block.
Y siendo los siguientes pasos, o criterios, los concernientes a la anteriormente explicada sub-etapa e.2), y llevados a cabo para determinar el pico que representa el armónico fundamental de la señal fotopletismográfica (pico "bueno") son los siguientes:And being the next steps, or criteria, the concerning the previously explained sub-stage e.2), and carried out to determine the peak representing the fundamental harmonic of the signal Photoplethysmographic ("good" peak) are as follows:
- 1.one.
- Si los tres candidatos coinciden, el candidato es elegido como pico "bueno", con un coeficiente de confianza dado por el producto de las tres probabilidades asociadas.Yes the three candidates coincide, the candidate is chosen as peak "good", with a confidence coefficient given by the product of the three associated probabilities.
- 2.2.
- Si dos de ellos coinciden, se elige este dato siempre y cuando la suma de las dos probabilidades asociadas sea mayor que la tercera;Yes two of them coincide, this data is chosen as long as the sum of the two associated probabilities is greater than the third;
- 3.3.
- En cualquier otro caso se elige el pico que presenta máxima probabilidad.In In any other case, the peak with maximum probability.
A partir de estos datos se calculan la frecuencia cardiaca (la coordenada horizontal del pico fundamental elegido), y los datos de amplitud de la señal fotopletismográficas necesarios para calcular la saturación de oxígeno.From these data, the heart rate (the horizontal coordinate of the fundamental peak chosen), and photoplethysmographic signal amplitude data necessary to calculate oxygen saturation.
Para la ejecución del método propuesto mediante el oxímetro propuesto según el segundo aspecto de la presente invención, los numerosos coeficientes involucrados se ajustan de una vez por todas después de una serie de medidas, por comparación y calibración con un aparato comercial; especialmente fidedigna es la calibración del algoritmo que permite calcular la frecuencia cardiaca en cuanto el valor de referencia puede obtenerse de aparatos de ECG que garantizan alta precisión. Más compleja es la calibración del dato de saturación de oxígeno.For the execution of the proposed method by the proposed oximeter according to the second aspect of the present invention, the numerous coefficients involved are adjusted for once and for all after a series of measurements, by comparison and calibration with a commercial apparatus; especially reliable is the calibration of the algorithm that allows to calculate the frequency cardiac as soon as the reference value can be obtained from ECG devices that guarantee high precision. More complex is the calibration of oxygen saturation data.
En la Fig. 5 se muestra un diagrama de flujos de las etapas del método propuesto, en detalle, para otro ejemplo de realización, el cual se explica a continuación.A flow chart of the stages of the proposed method, in detail, for another example of embodiment, which is explained below.
El ejemplo de realización ilustrado en dicha Fig. 5 está basado en un sistema que adquiere datos analógicos de fototransmitancia con alta velocidad de muestro (procedente de 2 a 4 láseres) para permitir un anti-aliasing analógico sencillo. Dicha adquisición la realiza el bloque indicado como 2 en la Fig. 5, y en concreto dicha velocidad de muestreo es de 1 kHz.The exemplary embodiment illustrated in said Fig. 5 is based on a system that acquires analog data from phototransmittance with high sampling rate (from 2 to 4 lasers) to allow analog anti-aliasing simple. This acquisition is made by the block indicated as 2 in Fig. 5, and specifically said sampling rate is 1 kHz
Los datos muestreados han sido previamente filtrados en el bloque 1.Sampled data has been previously filtered in block 1.
En el bloque indicado como 3 se realiza otro filtrado, en este caso un filtrado analógico de 4º orden de Bessel (para mantener la información de forma de los pulsos se utiliza un filtro con fase lineal) y una decimación de los datos hasta 100 Sa/s por canal.In the block indicated as 3 another one is made filtering, in this case a 4th order analog filtering from Bessel (to maintain the pulse shape information a filter with linear phase) and a decimation of the data up to 100 Sa / s per channel.
Tras dicho filtrado se utilizan varias estrategias en paralelo para llegar a la determinación de los datos de interés, que son la frecuencia cardiaca (indicada en la Fig. 5 como PPM) y las componentes pulsátil y continua de la señal de cada láser.After said filtering, several parallel strategies to arrive at the determination of the data of interest, which are the heart rate (indicated in Fig. 5 as PPM) and the pulsatile and continuous components of the signal of each To be.
Se calcula, además, con cada estrategia un factor de confianza C, que estime la significatividad del valor obtenido.It is also calculated with each strategy a confidence factor C, which estimates the significance of the value obtained.
Se efectúa una FFT sobre una ventana de los último 10 segundos de datos filtrados y decimados (bloque 4).An FFT is performed on a window of the last 10 seconds of filtered and decimated data (block 4).
Se realiza una identificación de un numero NP de picos principales (de 3 a 7 picos) (bloque 8).An identification of an NP number of main peaks (3 to 7 peaks) (block 8).
Se realiza una estimación de los picos con más potencia, utilizando la diferencia entre el pico más potente y el segundo como factor de confianza (bloque 10).An estimate of the peaks with more is made power, using the difference between the most powerful peak and the second as a confidence factor (block 10).
Se realiza una estimación de la probabilidad de que cada pico sea parte del contenido armónico de la misma señal, utilizando el siguiente método (bloque 9), mediante las siguientes etapas:An estimate of the probability of that each peak is part of the harmonic content of the same signal, using the following method (block 9), using the following stages:
- i.i.
- calcular para cada pareja de picos f1, f2 una función de f1/f2 que tenga valor 1 en los enteros y rápidamente decreciente alrededor de elloscalculate for each pair of peaks f1, f2 a function of f1 / f2 that has a value of 1 in the integers and rapidly decreasing around them
- ii.ii.
- comparar el resultado de esta función con un umbral prefijadocompare the result of this function with a preset threshold
- iii.iii.
- asignar un factor de confianza basado sobre la anterior comparación.assign a trust factor based About the previous comparison.
Se realiza una estimación de la amplitud pulsátil en el dominio del tiempo, utilizando la estimación de ruido como factor de confianza (bloque 6).An amplitude estimate is made pulsatile in the time domain, using the estimate of noise as a confidence factor (block 6).
Se realiza una estimación del valor medio de la señal, por medio de un filtrado paso-bajo a 0.1 Hz y un retraso para sincronizar los filtros (no se necesita valor de confianza), mediante el bloque 7.An estimate of the average value of the signal, by means of a low-pass filter at 0.1 Hz and a delay to synchronize the filters (no value of trust), by block 7.
Con todos los datos anteriores y el valor anterior elegido de PPM con su confianza, se selecciona el nuevo valor de PPM para la medida actual, utilizando un algoritmo empírico que elige la medida con mejor confianza siempre y cuando no tenga confianza menor que la medida anterior, en cual caso se mantiene la otra. Ello se realiza mediante el bloque 11 y el 12, este último encargado también de calcular la saturación de oxígeno basándose en la comparación de todos los valores pulsátiles de los láseres con los cuales se ha emitido para obtener las señales fotopletismográficas, utilizando método de promedio y de máxima confianza para elegir el valor correcto.With all the previous data and the value Previously chosen from PPM with your confidence, the new one is selected PPM value for the current measurement, using an algorithm empirical who chooses the measure with better confidence as long as do not have less confidence than the previous measure, in which case you Keep the other one. This is done through block 11 and 12, the latter also responsible for calculating oxygen saturation based on the comparison of all the pulsatile values of the lasers with which it has been emitted to obtain the signals photoplethysmography, using average and maximum method Confidence to choose the right value.
Un experto en la materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de la invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.A subject matter expert could introduce changes and modifications in the described embodiments without departing from the scope of the invention as defined in the attached claims.
Como ejemplo de implementación del método propuesto se incluyen una serie de instrucciones de un programa informático, en lenguaje C propio de LabWindows/CVI^{\text{*}}, que se desarrolla en los apéndices A y B, y que implementa el método propuesto según el primer aspecto de la presente invención.An example of the implementation of the proposed method includes a series of instructions from a computer program, in C language of LabWindows / CVI ^ {\ text {*}} , which is developed in Appendices A and B, and which implements the proposed method according to the first aspect of the present invention.
El grupo de instrucciones incluidas en los dos apéndices A y B constituyen el núcleo de cálculo de la frecuencia cardiaca del oxímetro implementado por los inventores, y propuesto por el segundo aspecto de la invención.The group of instructions included in the two Appendices A and B constitute the core of frequency calculation cardiac oximeter implemented by the inventors, and proposed by the second aspect of the invention.
El programa recibe los datos en el tiempo en un canal por medio de la función add_fft_points() (llamado por el programa principal del instrumento) y los acumula en un buffer cíclico; en cuanto consigue los puntos necesarios (FFT_POINTS, definidos en el fichero cardfft.h) emite una señal al programa principal que llama la routina compute_fft_hb() que realiza el cálculo descrito anteriormente.The program receives the data over time in a channel through the function add_fft_points () (called by the main program of the instrument) and accumulates them in a cyclic buffer ; As soon as it obtains the necessary points (FFT_POINTS, defined in the cardfft.h file) it emits a signal to the main program that calls the compute_fft_hb () routine that performs the calculation described above.
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APÉNDICE A: PROGRAMA DE CÁLCULO DE FRECUENCIA CARDIACA - CARDFFT.HAPPENDIX A: FREQUENCY CALCULATION PROGRAM CARDIACA - CARDFFT.H
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APÉNDICE B: PROGRAMA DE CÁLCULO DE FRECUENCIA CARDIACA - CARDFFT.CAPPENDIX B: FREQUENCY CALCULATION PROGRAM CARDIACA - CARDFFT.C
Claims (14)
- \bullet?
- ordenar, en función de su contenido armónico, los picos determinados como pertenecientes a frecuencias fundamentales, en base a los valores obtenidos tras dicha comparación de dicha función de probabilidad de armónicos,order, depending on your harmonic content, the peaks determined as belonging to fundamental frequencies, based on the values obtained after said comparison of said probability function of harmonics,
- \bullet?
- asignarles un coeficiente de probabilidad a cada uno de dichos picos, tanto mayor cuanto menor sea su contenido armónico,assign them a coefficient of probability to each of these peaks, both higher and lower be its harmonic content,
- \bullet?
- ponderar dichos coeficiente de probabilidad de cada uno de los picos con la amplitud de sus respectivas fundamentales, yweight these coefficients of probability of each of the peaks with the amplitude of their respective fundamentals, and
- \bullet?
- determinar el pico con probabilidad más alta como el pico candidato para el primer parámetro,determine the peak with highest probability as the candidate peak for the first parameter,
- \bullet?
- determinar el pico determinado como más preponderante previa asignación de un coeficiente de probabilidad, en base a los valores obtenidos tras dicha comparación de dicha función de preponderancia, como el pico candidato para el segundo parámetro.determine the determined peak as more preponderant prior assignment of a coefficient of probability, based on the values obtained after said comparison of said preponderance function, as the candidate peak for the Second parameter
- \bullet?
- determinar dicho pico de la misma frecuencia o de la frecuencia más próxima a la de dicho pico determinado en dicha etapa anterior e), como el pico candidato para el tercer parámetro.determine said peak of the same frequency or the frequency closest to that peak determined in said previous stage e), as the candidate peak for The third parameter.
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