FR2657770A1

FR2657770A1 - Method for treating artefacts affecting respiratory signals, and device for implementing this method

Info

Publication number: FR2657770A1
Application number: FR9001232A
Authority: FR
Inventors: Cointot Beatrice
Original assignee: RECH TECH LES
Current assignee: RECH TECH LES
Priority date: 1990-02-02
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1991-08-09

Abstract

The method according to the invention consists in measuring the duration of the inhalation and exhalation phases of the respiratory signal and in comparing it to that of the corresponding phases of the preceding respiratory cycle. If these durations are too short, the signal is affected by an artefact, which it is therefore possible to eliminate.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT D'ARTEFACTS
AFFECTANT DES SIGNAUX RESPIRATOIRES ET
DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE
La présente invention se rapporte à un procédé de traitement d'artefacts affectant des signaux respiratoires et à un dispositif de mise en oeuvre.PROCESS FOR TREATING ARTIFACTS
AFFECTING BREATHING SIGNALS AND
IMPLEMENTATION DEVICE
The present invention relates to a method of processing artifacts affecting respiratory signals and to an implementation device.

Des expériences menées en milieu hospitalier ont montré l'importance de la connaissance des mouvements respiratoires dans de nombreux cas surveillance d'athlètes, réanimation, détection de somnolence, etc. Experiments carried out in a hospital environment have shown the importance of knowledge of respiratory movements in many cases monitoring of athletes, resuscitation, detection of drowsiness, etc.

On connaît des appareils produisant des signaux électriques qui sont fonction des mouvements respiratoires des patients. Les signaux électriques fournis par ces appareils et qui seront appelés par la suite "signaux respiratoires" ont une allure sensiblement sinusoïdale qui permet leur exploitation de façon relativement simple par visualisation sur un écran d'oscilloscope ou par enregistrement, par exemple sur une bande de papier, pour exploitation ultérieure. Ces signaux peuvent également être traités automatiquement, mais dans ce cas, ils doivent comporter le moins de parasites possible. Apparatuses are known which produce electrical signals which are a function of the respiratory movements of the patients. The electrical signals supplied by these devices and which will hereinafter be called "respiratory signals" have a substantially sinusoidal shape which allows their exploitation in a relatively simple manner by viewing on an oscilloscope screen or by recording, for example on a strip of paper. , for future use. These signals can also be processed automatically, but in this case they must contain as little noise as possible.

Les causes de parasitage des signaux respiratoires sont essentiellement les battements cardiaques et les mouvements, en particulier les mouvements brusques des membres supérieurs, des patients. Les parasites dus aux battements cardiaques sont de faible amplitude et relativement réguliers. Ils peuvent être facilement atténués ou éliminés par filtrage. Par contre, les parasites dus aux mouvements des patients sont de nature aléatoire et souvent de forte amplitude. The causes of interference from respiratory signals are mainly heartbeats and movements, especially sudden movements of the upper limbs of patients. Parasites due to heartbeats are small and relatively regular. They can be easily attenuated or eliminated by filtering. On the other hand, the parasites due to the movements of the patients are of a random nature and often of high amplitude.

Ils peuvent parfois être confondus, dans un appareil de traitement automatique, avec des signaux purement respiratoires, et donc fausser complètement le traitement automatique effectué en aval. They can sometimes be confused, in an automatic processing device, with purely respiratory signals, and therefore completely distort the automatic processing carried out downstream.

La présente invention a pour objet un procédé de traitement de tels artefacts ne pouvant être éliminés par filtrage, qui permette d'éliminer l'influence de ces artefacts, ou ces artefacts eux-mêmes. The subject of the present invention is a method of treating such artifacts which cannot be eliminated by filtering, which makes it possible to eliminate the influence of these artefacts, or these artefacts themselves.

La présente invention a également pour objet un dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention. The present invention also relates to a device for implementing the method of the invention.

Le procédé conforme à l'invention consiste à découper le signal respiratoire en périodes comportant chacune une phase respiratoire et une phase expiratoire, à mesurer à chaque période les durées respectives de ces phases ; à comparer à chaque période les durées des phases à une valeur de référence et à décider qu lune phase est achevée, si elle a sensiblement la même durée qu au moins la phase correspondante précédente. The method according to the invention consists in cutting the respiratory signal into periods each comprising a respiratory phase and an expiratory phase, measuring in each period the respective durations of these phases; to compare the durations of the phases to each reference period and to decide that a phase is completed, if it has substantially the same duration as at least the previous corresponding phase.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel
- la figure 1 est un bloc diagramme simplifié d'un appareil de mise en oeuvre du procédé de l'invention, et
- la figure 2 est un ensemble de chronogrammes de signaux respiratoires présentant différents artefacts.The present invention will be better understood on reading the detailed description of an embodiment, taken by way of nonlimiting example and illustrated by the appended drawing, in which
FIG. 1 is a simplified block diagram of an apparatus for implementing the method of the invention, and
- Figure 2 is a set of chronograms of respiratory signals having different artefacts.

L'appareil 1 représenté en figure 1 peut servir non seulement à visualiser des signaux respiratoires, mais surtout est destiné à permettre le traitement automatique ultérieur de ces signaux : surveillance de patients, analyse sur une longue période (plusieurs jours), expériences diverses, graphes, histogrammes... The device 1 shown in FIG. 1 can be used not only to visualize respiratory signals, but above all is intended to allow subsequent automatic processing of these signals: patient monitoring, analysis over a long period (several days), various experiments, graphs , histograms ...

L'appareil 1 comporte un capteur 2, avantageusement du type à électrodes, tel que celui décrit dans la Demande de
Brevet français n0 89 12477. Le capteur 2 est relié à un filtre 3 approprié éliminant du signal du capteur 2 les parasites (battements cardiaques) présentant des caractéristiques de fréquence (fréquence basse et régulière) les rendant aisément filtrables.The device 1 includes a sensor 2, advantageously of the electrode type, such as that described in the Application for
French patent no. 89 12477. The sensor 2 is connected to an appropriate filter 3 eliminating from the signal from the sensor 2 parasites (heartbeats) having frequency characteristics (low and regular frequency) making them easily filterable.

Le filtre 3 est suivi d'un convertisseur analogique-numérique 4, lui-même suivi d'une mémoire 5 capable de mémoriser les échantillons de la dernière période du signal respiratoire. La mémoire 5 est lue par un dispositif d'analyse 6. The filter 3 is followed by an analog-digital converter 4, itself followed by a memory 5 capable of memorizing the samples of the last period of the respiratory signal. The memory 5 is read by an analysis device 6.

Le dispositif 6 analyse la durée des phases successives du signal mémorisé dans la mémoire 5 ainsi que le sens de variation de ce signal. Ce dispositif 6 comporte un calculateur exécutant un programme mettant en oeuvre le procédé décrit ci-dessous, la réalisation de ce programme étant évidente pour l'homme de l'art à la lecture de la description ci-dessous. The device 6 analyzes the duration of the successive phases of the signal stored in the memory 5 as well as the direction of variation of this signal. This device 6 comprises a computer executing a program implementing the method described below, the realization of this program being obvious to those skilled in the art on reading the description below.

A l'initialisation, lors de la première période du signal respiratoire, il est évident que le dispositif 6 ne peut effectuer de comparaison, mais il peut soit partir d'une valeur moyenne mémorisée à titre de référence initiale, soit être réglé manuellement à partir de l'observation du signal sur un oscilloscope par un opérateur, soit procéder automatiquement à la mesure de plusieurs des premières périodes du signal respiratoire et en déduire une valeur moyenne qui servira de référence au début du processus, l'exploitation du signal respiratoire ne commençant qu'après les premières périodes, lorsqu'une valeur minimale de durée de cycle respiratoire a été déterminée ou donnée par l'utilisateur. On initialization, during the first period of the respiratory signal, it is obvious that the device 6 cannot carry out a comparison, but it can either start from an average value stored as an initial reference, or be adjusted manually from of the observation of the signal on an oscilloscope by an operator, either automatically measuring several of the first periods of the respiratory signal and deducing an average value which will serve as a reference at the start of the process, the exploitation of the respiratory signal only beginning only after the first periods, when a minimum value of the respiratory cycle duration has been determined or given by the user.

En régime établi, le dispositif 6 détermine le sens de variation de l'amplitude du signal respiratoire pour en déduire s'il s'agit de la phase inspiratoire ou expiratoire. En l'absence d'artefacts, la détection d'un minimum signifie que la phase qui le suit est une phase inspiratoire, et la détection d'un maximum signifie que la phase qui le suit est une phase expiratoire. Le dispositif 6 peut alors mémoriser les durées respectives de ces deux phases. S'il se produit un artefact dans une de ces deux phases, celui-ci se traduit par une déformation en forme de pic du signal respiratoire. Suivant la phase au cours de laquelle se produit cet artefact, son début pourrait être interprété par un dispositif de type classique, comme le début d'une phase d'inspiration ou d'expiration. In steady state, the device 6 determines the direction of variation of the amplitude of the respiratory signal to deduce whether it is the inspiratory or expiratory phase. In the absence of artifacts, detecting a minimum means that the phase that follows it is an inspiratory phase, and detecting a maximum means that the phase that follows it is an expiratory phase. The device 6 can then memorize the respective durations of these two phases. If an artifact occurs in one of these two phases, this results in a peak-shaped deformation of the respiratory signal. Depending on the phase during which this artefact occurs, its start could be interpreted by a device of the classic type, like the start of an inspiration or expiration phase.

Les trois cas possibles ont été représentés en figure 2 sur les diagrammes a) à c). The three possible cases have been represented in FIG. 2 on diagrams a) to c).

En a), l'artefact AI se produit pendant la phase d'inspiration. On a référencé TO le début de la phase d'inspiration en question. Le pic de l'artefact apparaît à l'instant T1 au bout d'un temps Til après TO. Entre TO et T1, le signal est constamment croissant. Après ce pic, entre les instants T1 et T2 (étape de durée Tel), le signal diminue légèrement pour atteindre un minimum en T2, puis remonte jusqu'à un maximum qu'il atteint à l'instant T3, au bout d'un temps T2. Peu après T2, l'allure du signal devient celle qu'elle aurait été sans la présence de l'artefact. Après le maximum de
T3, le signal descend régulièrement jusqu a un minimum qu'il atteint en T4, au bout d'un temps Te2 après T3.In a), the AI artifact occurs during the inspiration phase. TO has been referenced the beginning of the inspiration phase in question. The peak of the artifact appears at time T1 after a time Til after TO. Between TO and T1, the signal is constantly increasing. After this peak, between times T1 and T2 (step of duration Tel), the signal decreases slightly to reach a minimum in T2, then rises to a maximum that it reaches at time T3, after one time T2. Shortly after T2, the appearance of the signal becomes what it would have been without the presence of the artifact. After the maximum of
T3, the signal drops regularly to a minimum it reaches in T4, after a time Te2 after T3.

Dans ce premier cas, la durée correcte de la phase d'inspiration est Ti = Til+Tel+Ti2, et la durée de la phase d'expiration est bien Te2. In this first case, the correct duration of the inspiration phase is Ti = Til + Tel + Ti2, and the duration of the expiration phase is indeed Te2.

Dans le cas b) de la figure 2, l'artefact A2 se produit pendant la phase d'expiration. Entre les instants T'O et
T'1 (laps de temps Ti'1) a lieu la phase d'inspiration, qui n'est pas perturbée. T'il est bien la durée réelle de la phase d'inspiration. A l'instant T'2 (au bout d'un temps Te'1 après
T'1) se produit un faux minimum dû à l'artefact A2. Au bout d'un temps Ti'2, après T'2, c'est-à-dire au temps T3, la courbe atteint un faux maximum correspondant à la pointe de l'artefact
A2, puis redescend pendant un temps Te'2, et atteint en T'4 un vrai minimum. La durée de la phase d'expiration est T'e = Te'1 +
Ti'2 + Te'2.In case b) of Figure 2, the artifact A2 occurs during the expiration phase. Between the moments T'O and
T'1 (time period Ti'1) takes place the inspiration phase, which is not disturbed. T'il is the actual duration of the inspiration phase. At time T'2 (after a time Te'1 after
T'1) a false minimum occurs due to the artifact A2. At the end of a time Ti'2, after T'2, that is to say at time T3, the curve reaches a maximum false corresponding to the tip of the artifact
A2, then goes back down for a time Te'2, and reaches in T'4 a real minimum. The duration of the expiration phase is T'e = Te'1 +
Ti'2 + Te'2.

Dans le cas c) de la figure 2, l'artefact A3 se produit à la fin de la phase d'expiration. La phase d'inspiration entre les instants T"O et T"1, a une durée Ti"1 normale. La phase d'expiration débute de façon normale, mais au bout d'un temps Te"1 se produit, à l'instant T"2, un faux minimum dû à l'artefact A3. Pendant un temps Ti"2, la courbe remonte jusqu a un faux maximum qu'elle atteint en T"3, puis redescend pendant un temps Te"2 jusqu a un vrai minimum qu'elle atteint en T"4. La durée de la phase d'expiration est
Te" = Te"1 + Ti"2 + Te"2.In case c) of Figure 2, the artifact A3 occurs at the end of the expiration phase. The inspiration phase between instants T "O and T" 1 has a normal duration Ti "1. The expiration phase begins in a normal manner, but after a time Te" 1 occurs, at instant T "2, a false minimum due to the artifact A3. During a time Ti" 2, the curve rises to a false maximum which it reaches in T "3, then goes down again for a time Te" 2 to a true minimum that it reaches in T "4. The duration of the expiration phase is
Te "= Te" 1 + Ti "2 + Te" 2.

Pour ne pas interpréter les fronts montants des artefacts A2 et A3 comme des débuts de phases d'inspiration, et le front descendant de Ai comme un début de phase d'expiration, l'invention prévoit de détecter ces phases incorrectes en mesurant leur durée qui est comparée à une valeur de référence. Cette valeur de référence est fixe mais dépend du sujet et de l'expérience. Par conséquent, on peut admettre que pour chacune des deux phases d'un cycle donné la valeur de référence est la durée minimale que peut avoir la phase correspondante du cycle respiratoire. In order not to interpret the rising edges of the artefacts A2 and A3 as the beginnings of inspiration phases, and the falling edge of Ai as the beginning of the expiration phase, the invention provides for detecting these incorrect phases by measuring their duration which is compared to a reference value. This reference value is fixed but depends on the subject and experience. Consequently, we can admit that for each of the two phases of a given cycle the reference value is the minimum duration that the corresponding phase of the respiratory cycle can have.

La comparaison est effectuée de la façon suivante
1/ Tant que la phase supposée expiratoire du cycle considéré (échantillons successifs du signal décroissant constamment) n'est pas de durée correcte (inférieure à la valeur de référence) le cycle en question appartient à la phase inspiratoire du cycle précédent (on est en présence d'un artefact).The comparison is carried out as follows
1 / As long as the supposed expiration phase of the cycle considered (successive samples of the constantly decreasing signal) is not of correct duration (less than the reference value) the cycle in question belongs to the inspiratory phase of the previous cycle (we are in presence of an artifact).

2/ Lorsque la durée de la phase expiratoire mesurée atteint la valeur de référence on considère que la durée de la phase inspiratoire précédente est bien correcte. 2 / When the duration of the measured expiratory phase reaches the reference value, the duration of the preceding inspiratory phase is considered to be correct.

3/ Pour la phase suivante, qui est la phase expiratoire, on considère que tant que la phase inspiratoire du cycle suivant n'a pas atteint la durée suffisante de référence, on est toujours en phase expiratoire. 3 / For the next phase, which is the expiratory phase, we consider that as long as the inspiratory phase of the following cycle has not reached the sufficient reference duration, we are still in the expiratory phase.

4/ Dès que la phase examinée en 3) atteint la durée suffisante, elle est considérée comme correcte, et on peut alors conclure que la phase précédente est bien une phase expiratoire et que sa durée que l'on vient de déterminer est correcte. 4 / As soon as the phase examined in 3) reaches the sufficient duration, it is considered to be correct, and we can then conclude that the previous phase is indeed an expiratory phase and that its duration that we have just determined is correct.

Ainsi, dès que l'on a vérifié les conditions énoncées ci-dessus en 2) et 4), on a déterminé un cycle complet inspiration/expiration qui doit correspondre à la réalité du signal respiratoire. On peut alors, si nécessaire, reconstruire ce signal réel en remplaçant les échantillons relatifs aux phases incorrectes par des valeurs interpolées d'après les valeurs des parties de phases correctes encadrant ces phases incorrectes. Par exemple, pour le cas a) de la figure 2, la phase incorrecte est Tel (de durée trop courte). Il faut remplacer les échantillons de Tel et les échantillons précédents, c'est-à-dire ceux arrivés pendant un laps de temps
T avant Tl, avec, par exemple, T = 2. Tel, par les échantillons correspondants de la phase homologue précédente, ces échantillons de remplacement étant tous multipliés par un même coefficient correcteur qui est fonction de la variation d'amplitude du signal depuis la phase homologue précédente. Ce coefficient peut par exemple être égal à l'inverse du rapport des valeurs des maxima et/ou des minima de ces deux phases, ou en faisant une interpolation linéaire par rapport au minimum et au maximum du cycle respiratoire considéré.Thus, as soon as we have verified the conditions set out above in 2) and 4), we have determined a complete inspiration / expiration cycle which must correspond to the reality of the respiratory signal. We can then, if necessary, reconstruct this real signal by replacing the samples relating to the incorrect phases by interpolated values according to the values of the parts of correct phases framing these incorrect phases. For example, for case a) of figure 2, the incorrect phase is Tel (of too short duration). It is necessary to replace the samples of Tel and the previous samples, that is to say those arrived during a period of time
T before Tl, with, for example, T = 2. Such, by the corresponding samples of the preceding homologous phase, these replacement samples being all multiplied by the same correction coefficient which is a function of the variation in amplitude of the signal from the previous homologous phase. This coefficient can for example be equal to the inverse of the ratio of the values of the maxima and / or minima of these two phases, or by making a linear interpolation with respect to the minimum and the maximum of the respiratory cycle considered.

De même, pour les cas b) et c) de la figure 2, on remplace les échantillons des fausses phases d'inspiration (T'i2 et Ti"2) et les échantillons perturbés suivants par des échantillons interpolés. Similarly, for cases b) and c) of FIG. 2, the samples of the false inspiration phases (T'i2 and Ti "2) and the following disturbed samples are replaced by interpolated samples.

Claims

1. A method of treating artifacts affecting a respiratory signal, characterized by the fact that it consists in cutting the respiratory signal into periods each comprising an inspiratory phase and an expiratory phase, measuring in each period the respective durations of these phases, to compare the durations of the phases to each reference period and to decide that a phase is completed if it has substantially the same duration as at least the previous corresponding phase.

2. Method according to claim 1, characterized in that one supposes initiated the inspiratory and expiratory phases as soon as the amplitude of the respiratory signal begins to increase or decrease, respectively.

3. Method according to claim 2, characterized in that if the supposed expiratory phase does not have a duration greater than a reference value, it is considered that it still corresponds to the inspiratory phase preceding it, and that as soon as it exceeds this reference value, it is considered that the inspiratory phase preceding it is completed.

4. Method according to claim 2 or 3, characterized in that as long as the supposed inspiratory phase does not have a duration greater than a reference value, it is considered that it still corresponds to the expiratory phase preceding it, and that as soon as it exceeds this value, it is considered that the expiratory phase preceding it is completed.

5. Method according to claim 3 or 4, characterized in that the reference value is a sliding value deduced from the duration of the inspiration and expiration phases of at least one previous cycle.

6. Method according to one of claims 3 to 5, characterized in that at initialization, the reference value is an average value stored as an initial reference.

7. Method according to one of claims 3 to 5, characterized in that at initialization the reference value is determined from the measurement of several of the first periods of the respiratory signal.

8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that an artefact corresponds to a phase of duration less than the reference value.

9. Method according to claim 8, characterized in that the part of the respiratory signal affected by an artifact is replaced by a corresponding part of correct signal.

10. Device for treating artifacts affecting a respiratory signal, for implementing the method according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a sensor (2), a filter (3), a analog-digital converter (4), a memory (5) and a phase duration analysis device (6).