JP2016152624A - 狭周波数帯アナログノイズ除去 - Google Patents

Abstract

【課題】 狭周波数帯ノイズを除去する。
【解決手段】 特定のノイズ周波数におけるノイズを含む入力アナログ信号を受信することと、入力アナログ信号をデジタル化してデジタル化信号を形成することと、を含む方法。方法はまた、デジタル化信号からノイズの第１の振幅及び第１の位相を回復することと、特定のノイズ周波数におけるアナログ補正信号を生成することと、を含む。アナログ補正信号は、第１の振幅と等しい第２の振幅、及び第１の位相と反対の第２の位相を有する。方法は、入力アナログ信号をアナログ補正信号と合計し出力アナログ信号を生成することを更に含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、概ねノイズ除去に関連し、具体的には、ラインピックアップなどの狭周波数帯ノイズの除去に関連する。

ラインピックアップは、ピックアップによる影響を受ける信号が比較的小さいときに特に問題となり得るノイズのタイプである。例えば、ＥＣＧ（心電図）信号などの信号は、信号を取得するリード線によってピックアップされたラインノイズと比較して一般に相対的に小さい場合がある。このタイプのノイズの影響を低減する方法は当該技術分野において周知である。

その開示が参照により本明細書に組み込まれる、ｄｅＰｉｎｔｏの米国特許第６，０４１，２５０号は、適応ラインノイズ検出及び除去システムを記載している。システムは、とりわけ基線変動フィルタ、ハイパスフィルタ及びローパスフィルタ、並びに適応ラインノイズキャンセラを有すると記載されている。システムはまた、ＥＣＧ信号から混入を識別し除去することができると記載されている。

その開示が参照により本明細書に組み込まれる、Ｋｉｓｈｉらの米国特許第８，５９７，１９６号は、心拍センサから、被験者の心拍に関する心臓信号を取得するためのユニットを含むと記載されている心臓信号処理装置を説明する。装置はまた、心臓信号の中で第１の所定の周波数以下を有する心臓信号を通過させるローパスフィルタ、及びローパスフィルタから出力された信号に高周波数外挿を実行することによって低周波数ノイズの調波信号を取得する高調波ノイズ取得ユニットを有すると記載されている。

その開示が参照により本明細書に組み込まれる、Ｈａｔａｎａｋａらの米国特許第８，１３４，２５５号は、ノイズ除去回路を記載している。回路は、デジタル信号処理回路部の電源端子電圧の交流成分を除去する除去信号を生成する除去信号生成部を有すると記載されている。生成した除去信号とアナログ信号処理回路部の電源電圧を合成して電源電圧で重なり合ったノイズを除去する合成部もまた存在する。

ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．６，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００７（Ｒａｍｏｓ ｅｔ ａｌ．）発表の「ＦＰＧＡ−Ｂａｓｅｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃａｎｃｅｌｌｅｒ ｆｏｒ ５０／６０−Ｈｚ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｐｈｙ」と題する記事は、参照により本明細書に組み込まれる。記事は、適応フィルタを使用する適応キャンセラを記載する。

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｖｏｌ．４，Ｉｓｓｕｅ ３，Ｊｕｎ ２０１４（Ｒｅｈｍａｎ，ｅｔ ａｌ）発表の「Ｎｏｉｓｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｆｒｏｍ ＥＣＧ Ｕｓｉｎｇ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ ＣＳＬＭＳ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ」と題する記事は、参照により本明細書に組み込まれる。記事は、「主に」１次入力と参照入力との間の平均二乗誤差を最小化する適応フィルタに言及する。

参照により本特許出願に組み込まれる文書は、いずれかの用語が、それらの組み込まれた文書内で、本明細書で明示的又は暗示的に行なわれる定義と相反するように定められる場合を除き、本出願の一体部分と見なされるべきであり、本明細書における定義のみが考慮されるべきである。

本発明のある実施形態は、方法を提供するものであり、その方法は、
特定のノイズ周波数におけるノイズを含む入力アナログ信号を受信することと、
入力アナログ信号をデジタル化してデジタル化信号を形成することと、
デジタル化信号からノイズの第１の振幅及び第１の位相を回復することと、
第１の振幅と等しい第２の振幅、及び第１の位相と反対の第２の位相を有する特定のノイズ周波数におけるアナログ補正信号を生成することと、
入力アナログ信号をアナログ補正信号と合計し出力アナログ信号を生成することと、を含む。

典型的には、ノイズはラインノイズからなり、特定のノイズ周波数は、５０Ｈｚ周波数及び６０Ｈｚ周波数から選択される。方法は、ライン信号から特定のノイズ周波数を導出することを含んでもよい。

開示の実施形態では、方法はデジタル化信号から特定のノイズ周波数を回復することを含む。

更に開示された実施形態では、入力アナログ信号は、心内心電図（ＥＣＧ）信号を含む。

本発明のある実施形態により、装置が更に提供され、この装置は、
特定のノイズ周波数におけるノイズを含む入力アナログ信号を受信し、デジタル化信号を形成するために入力アナログ信号をデジタル化するように連結されるアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器と、
デジタル化信号からノイズの第１の振幅及び第１の位相を回復するように構成される信号分析器と、
第１の振幅と等しい第２の振幅、及び第１の位相と反対の第２の位相を有する特定のノイズ周波数におけるアナログ補正信号を生成するように構成されるアナログ信号発生器と、
入力アナログ信号をアナログ補正信号と合計し出力アナログ信号を生成する総和ブロックと、を含む。

以下の本開示の発明を実施するための形態を、図面と併せて読むことによって、本開示のより深い理解が得られるであろう。

本発明の実施形態による、狭周波数帯ノイズ除去システムの概略図である。 本発明の実施形態によるノイズ除去モジュールを示す基本ブロック図である。 本発明の実施形態によるモジュールによりとられるアクションを示すフローチャートである。

概説
心臓手術は、一般にＥＣＧ（心電図）信号の取得を含む。ＥＣＧ信号は、低振幅で高インピーダンスのアナログ信号であり、そのためラインからのノイズなど外部信号を受信しやすく、これら外部信号は、ＥＣＧ信号の狭周波数帯ノイズとなる。狭周波数帯ノイズ信号は、振幅においてＥＣＧ信号より著しく大きくなり得る。ノイズは、入ってくるノイズ含有ＥＣＧ信号のデジタル化、デジタル化信号中のノイズ信号の識別、及びデジタル化信号からのノイズ信号の減算によって低減することができるが、そのようなプロセスは大きなダイナミックレンジを必要とし、その大部分をノイズが占める。

本発明の実施形態は、異なるアプローチを使用する。例えば、狭周波数帯である５０Ｈｚ又は６０Ｈｚのラインノイズのようなノイズなど、特定のノイズ周波数におけるノイズを含む入力アナログ信号をデジタル化する。ノイズの振幅及び位相をデジタル化信号から回復する。一部の実施形態では、特定のノイズ周波数の値もまた、デジタル化信号から回復する。回復した振幅を使用して、回復した振幅と同じ振幅及びノイズと同じ周波数を有するアナログ補正信号を生成する。しかしながら、補正信号の位相は、回復した位相と反対側に、即ち１８０度異なる位相にセットされる。

入力アナログ信号及びアナログ補正信号を合計し、その後狭周波数帯ノイズを除去した出力アナログ信号を生成する。

大きなノイズ信号は、ノイズの振幅、周波数、及び位相を正確に評価できるようにし得るので、このアプローチは、特に狭周波数帯ノイズのレベルがアナログ信号のレベルを著しく超える場合に有効である。例えば、ノイズがラインノイズを含む一部の状況において、狭周波数帯ノイズレベルは、アナログ信号と比べて５０ｄＢ又は更に大きくてもよい。

システムの説明
次に図１を参照すると、これは、本発明の実施形態による、狭周波数帯ノイズ除去システム２０の概略図である。システム２０は、典型的には身体器官への医療処置の間に使用され、本明細書の記載では、身体器官は、例として、心臓を含むと想定され、このシステムは、心内心電図（ＥＣＧ）信号のノイズを除去するよう適用される。しかしながら、システム２０が脳波計（ＥＥＧ）信号のような他の信号のノイズを除去するよう適用され得ることが理解されるであろう。

明確さのため、別途記述のある場合を除いて、以下の説明においてノイズによる影響を受ける信号は、ＥＣＧ信号であると想定され、信号の狭周波数帯ノイズは、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの周波数を有するラインノイズであると想定される。多くの場合、狭周波数帯ラインノイズは、ＥＣＧ信号のレベルと同等以上の規模を有する。

以下の説明は、システム２０が、プローブ２４を用いて心臓２２から心内ＥＣＧ信号を感知すると想定する。プローブの遠位端部２６は、信号を感知する電極２８を有すると想定される。通常、プローブ２４は、システム２０のユーザー３２によって実行される心臓手術の間に、患者３０の体内に挿入されるカテーテルを含む。本明細書の説明において、ユーザー３２は、医療専門家であると想定される。

システム２０は、ＥＣＧモジュール４４と通信する処理ユニット４２を備えるシステムプロセッサ４０によって制御され得る。モジュール４４は次に、ノイズ除去モジュール４６を備える。プロセッサ４０は、典型的にはマウス又はトラックボールなどの位置指示デバイスを含む、オペレーティングコントロールを備える、コンソール５０上に据え付けられてもよい。専門技術者３２は、位置指示デバイスを用いてプロセッサと対話し、このプロセッサは、以下に説明するように、システム２０によって生じた結果を専門技術者に画面５４上で提示するために使用され得る。

画面は、分析の結果及びＥＣＧモジュール４４によるＥＣＧ信号の処理を表示する。典型的には、得られたＥＣＧ信号は、電位対時間グラフの形態で画面５４上に提示され、このようなグラフの概略例６０を図１に示す。しかしながら、得られたＥＣＧ信号はまた、局所興奮時間（ＬＡＴ）などの、ＥＣＧ信号と関連付けられる他の結果を導出するために、プロセッサ４０によって用いられてもよい。これらの結果は、典型的には、心臓２２の内面の三次元（３Ｄ）マップ６４の形態で画面５４上に提示される。

プロセッサ４０は、プロセッサのメモリ内に記憶されたソフトウェアを用いてシステム２０を操作する。ソフトウェアは、例えば、ネットワークを介して、電子的形態でプロセッサ４０にダウンロードされてもよいし、又は代替的若しくは追加的に、磁気メモリ、光メモリ、若しくは電子メモリなどの、非一時的な有形媒体上に提供かつ／若しくは記憶されてもよい。

プロセッサ４０は、典型的には、プローブ追跡モジュール、遠位端部２６上の力を測定する力モジュール、及び調整された電力を遠位端部における電極２８又は別の電極に提供するアブレーションモジュールなどの他のモジュールを備える。簡単にするために、このようなモジュールは図１には示していない。Ｂｉｏｓｅｎｓｅ Ｗｅｂｓｔｅｒ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｂａｒ，ＣＡ）により製造されるＣａｒｔｏ（登録商標）システムは、このようなモジュールを使用する。

図２は、ノイズ除去モジュール４６を示す基本ブロック図であり、図３は、本発明の実施形態によるモジュールによりとられるアクションを示すフローチャートである。モジュール４６を、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及び／又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）のようなハードウェアに実装してもよい。あるいは、モジュール４６を、ソフトウェアに少なくとも部分的に実装してもよい。モジュール４６は、一般に低ノイズ前置増幅器８０を含み、これは電極２８から信号を受信するように接続される。簡略化のために前置増幅器８０をモジュール４６内にあるものと図示するが、そのように位置する必要はない。このように、開示の実施形態では、前置増幅器８０はプローブ２４に組み込まれ、一部の実施形態では、プローブの遠位端２６に組み込まれることがある。

前置増幅器８０により受信された信号は、特定の周波数における狭周波数帯ノイズ成分を有するベースバンドアナログ信号であると想定される。ベースバンド信号は、電極２８により取得されたＥＣＧ信号であり、上に約５０Ｈｚ又は約６０Ｈｚのラインノイズが重ねられていて、狭周波数帯ノイズ成分に対応する。

前置増幅器により実行されたアクションは、フローチャートの取得工程１００に対応し、前置増幅器が「未加工の」アナログＥＣＧ信号を取得する。

前置増幅器８０からの出力は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器８４によってデジタル化され、フローチャートのデジタル化工程１０２に対応する。Ａ／Ｄ変換器からのデジタル出力は、信号分析ブロック８６へ転送される。

信号分析ブロックは、狭周波数帯ノイズ成分を分離するためにデジタル化信号を分析する。一般に分析は、フーリエ変換及び／又はウェーブレット変換を実行することを含む。分析はまた、狭周波数帯ノイズのおよその周波数が既知であると想定する。分析は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの基準値であると想定される、およその周波数値を使用して、狭周波数帯ノイズの特定の周波数並びにノイズの振幅及び位相をより正確に回復する。

分析工程１０４は、信号分析ブロック８６により実行されたアクションに対応する。狭周波数帯ノイズがラインノイズを含む一部の実施形態では、信号分析ブロック８６は、カップリングからラインへの狭周波数帯ノイズの特定の周波数を導出するように構成されている。

デジタル化信号の分析の結果は、アナログ信号発生器９０に渡される。発生器９０は、信号分析ブロックにより回復された狭周波数帯ノイズ振幅及び周波数の値と同じ振幅及び周波数の値を有するアナログ補正信号を生成するように構成される。しかしながら、発生器９０により生成されたアナログ補正信号の位相は、狭周波数帯ノイズの位相と反対側に、即ち１８０度異なる位相であるように構成される。アナログ補正信号を生成する発生器９０の操作は、フローチャートの生成工程１０６で実行されるアクションに対応する。

アナログ補正信号は、総和ブロック９４に転送され、このブロックはまた接続されて前置増幅器８０により出力されたアナログ信号を受信する。ブロック９４は、ミキサーとして機能し、２つの入力を合計するように構成される。前置増幅器の出力のノイズは、アナログ補正信号と同じ振幅及び周波数を有するが、位相において反対であるので、２つの入力の合計は、入ってくるアナログ信号のノイズを効果的に除去し、その結果、ブロック９４からの出力信号は、ノイズが除去されたアナログ信号を含む。

総和ブロックからの出力が２つの入力アナログ信号の総和であるフローチャートの最終総和工程１０８は、総和ブロック９４の操作に対応する。

上記は、入力アナログ信号が狭周波数帯ラインノイズを含むＥＣＧ信号であると想定しているが、このタイプのアナログ信号及びこのタイプの狭周波数帯ノイズは単に例示であることが認識されるであろう。したがって、本発明の実施形態は、ＥＥＧ（脳波計）信号のような他のタイプのアナログ信号、並びに交流磁場により生成された狭周波数帯ノイズのような他のタイプの狭周波数帯ノイズを含む。

したがって、上述の実施形態は、例として引用したものであり、また本発明は、上で詳細に示し説明したものに限定されないことが認識されるであろう。むしろ、本発明の範囲には、上で説明した様々な特徴の組み合わせと部分的組み合わせの両方、並びにそれらの変形形態及び修正形態が含まれ、これらは、上述の説明を読めば当業者には想到されるであろうものであり、従来技術では開示されていないものである。

〔実施の態様〕
（１） 方法であって、
特定のノイズ周波数におけるノイズを含む入力アナログ信号を受信することと、
前記入力アナログ信号をデジタル化してデジタル化信号を形成することと、
前記デジタル化信号から前記ノイズの第１の振幅及び第１の位相を回復することと、
前記第１の振幅と等しい第２の振幅、及び前記第１の位相と反対の第２の位相を有する前記特定のノイズ周波数におけるアナログ補正信号を生成することと、
前記入力アナログ信号を前記アナログ補正信号と合計し出力アナログ信号を生成することと、を含む方法。
（２） 前記ノイズが、ラインノイズを含み、前記特定のノイズ周波数が５０Ｈｚ周波数及び６０Ｈｚ周波数から選択される、実施態様１に記載の方法。
（３） ライン信号から前記特定のノイズ周波数を導出することを含む、実施態様２に記載の方法。
（４） 前記デジタル化信号から前記特定のノイズ周波数を回復することを含む、実施態様１に記載の方法。
（５） 前記入力アナログ信号が、心内心電図（ＥＣＧ）信号を含む、実施態様１に記載の方法。

（６） 装置であって、
特定のノイズ周波数におけるノイズを含む入力アナログ信号を受信し、デジタル化信号を形成するために前記入力アナログ信号をデジタル化するように連結されるアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器と、
前記デジタル化信号から前記ノイズの第１の振幅及び第１の位相を回復するように構成される信号分析器と、
前記第１の振幅と等しい第２の振幅、及び前記第１の位相と反対の第２の位相を有する前記特定のノイズ周波数におけるアナログ補正信号を生成するように構成されるアナログ信号発生器と、
前記入力アナログ信号を前記アナログ補正信号と合計し出力アナログ信号を生成する総和ブロックと、を含む装置。
（７） 前記ノイズが、ラインノイズを含み、前記特定のノイズ周波数が５０Ｈｚ周波数及び６０Ｈｚ周波数から選択される、実施態様６に記載の装置。
（８） 前記信号分析器が、ライン信号から前記特定のノイズ周波数を導出するように構成されている、実施態様７に記載の装置。
（９） 前記信号分析器が、前記デジタル化信号から前記特定のノイズ周波数を回復するように構成されている、実施態様６に記載の装置。
（１０） 前記入力アナログ信号が、心内心電図（ＥＣＧ）信号を含む、実施態様６に記載の装置。

Claims (10)

1. 方法であって、
   特定のノイズ周波数におけるノイズを含む入力アナログ信号を受信することと、
   前記入力アナログ信号をデジタル化してデジタル化信号を形成することと、
   前記デジタル化信号から前記ノイズの第１の振幅及び第１の位相を回復することと、
   前記第１の振幅と等しい第２の振幅、及び前記第１の位相と反対の第２の位相を有する前記特定のノイズ周波数におけるアナログ補正信号を生成することと、
   前記入力アナログ信号を前記アナログ補正信号と合計し出力アナログ信号を生成することと、を含む方法。
2. 前記ノイズが、ラインノイズを含み、前記特定のノイズ周波数が５０Ｈｚ周波数及び６０Ｈｚ周波数から選択される、請求項１に記載の方法。
3. ライン信号から前記特定のノイズ周波数を導出することを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記デジタル化信号から前記特定のノイズ周波数を回復することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記入力アナログ信号が、心内心電図（ＥＣＧ）信号を含む、請求項１に記載の方法。
6. 装置であって、
   特定のノイズ周波数におけるノイズを含む入力アナログ信号を受信し、デジタル化信号を形成するために前記入力アナログ信号をデジタル化するように連結されるアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器と、
   前記デジタル化信号から前記ノイズの第１の振幅及び第１の位相を回復するように構成される信号分析器と、
   前記第１の振幅と等しい第２の振幅、及び前記第１の位相と反対の第２の位相を有する前記特定のノイズ周波数におけるアナログ補正信号を生成するように構成されるアナログ信号発生器と、
   前記入力アナログ信号を前記アナログ補正信号と合計し出力アナログ信号を生成する総和ブロックと、を含む装置。
7. 前記ノイズが、ラインノイズを含み、前記特定のノイズ周波数が５０Ｈｚ周波数及び６０Ｈｚ周波数から選択される、請求項６に記載の装置。
8. 前記信号分析器が、ライン信号から前記特定のノイズ周波数を導出するように構成されている、請求項７に記載の装置。
9. 前記信号分析器が、前記デジタル化信号から前記特定のノイズ周波数を回復するように構成されている、請求項６に記載の装置。
10. 前記入力アナログ信号が、心内心電図（ＥＣＧ）信号を含む、請求項６に記載の装置。

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