JP2019195461A - 胎児心電信号処理方法及び胎児心電信号処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この特許文献1に記載の心電図信号処理方法では、胎児の心拍周期を検出する検出器から入力される心拍周期信号に基づいて、指定された誘導形式の胎児心電信号を分離抽出するための参照信号を生成し、妊娠中の母体より取得された複数チャネルの母体心電信号及び胎児心電信号を含む生体信号から、参照信号に基づいて、指定された誘導形式の胎児心電信号を参照系独立成分分析法により分離抽出する。そして、母体の胸部に取り付けられた電極のチャネルから母体心電信号の主な成分を、他の電極のチャネルの生体信号から取り除くことにより、胎児心電信号を分離させる。これにより、参照系独立成分分析法により分離された複数チャネルの入力信号から、胎児心電成分とその他の成分とが分離され、胎児心電成分を含む信号が生成される。
これに対し、本発明では、参照系独立成分分析法により分離された信号からノイズを除去して胎児特徴表示信号を抽出し、抽出された胎児特徴表示信号から母体の心電信号が含まれる可能性のあるタイミングの信号を除去することで、ノイズ及び母体の心電信号を確実に除去することができる。これにより、胎児の心電信号を多く含む胎児特徴信号を得ることができ、各チャネルの胎児特徴信号を比べることによって、参照系独立成分分析法により分離された信号の中から胎児心電成分を確実に含む信号を適切に選択できる。
上記態様では、複数チャネルごとに参照系独立成分分析法により分離された信号の位相をずらして虚部信号を含む複数の複素信号を生成することにより、胎児特徴信号を抽出するためのサンプル数を増やすことができ、複数のチャネルごとに胎児特徴信号を複数得ることができる。このため、胎児特徴信号の比較対象が多くなるので、参照系独立成分分析法により分離された信号の中から胎児心電成分を確実に含む信号をより適切に選択できる。
ここで、解析処理においてサンプル点数の増加は、処理時間の増加に繋がるため、処理時間短縮のためには、できる限り冗長なデータを削除してから解析を実行することが望ましい。
これに対し、上記態様では、胎児特徴信号から複数サンプルごとに値の大きいデータを含むサンプルからなる圧縮データを用いて、胎児心電成分が多く含まれる参照系独立成分分析法により分離された信号を選択できるので、処理時間を短縮できる。また、ノイズを除いた最も大きい標準偏差の圧縮データを含むチャネルの信号を選択することで、胎児心電成分が多く含まれる参照系独立成分分析法により分離された信号をさらに確実に選択できる。
[医療機器の概略構成]
本実施形態の医療機器1は、いわゆる分娩監視装置により構成され、図2に示すように、妊娠中の母体Mに装着される複数の電極2と、複数の電極2により取得された母体の心電信号や胎児の心電信号を含む生体信号が送信される装置本体3と、を備えている。例えば、本実施形態では、胎児の心電信号を取得するための11個の電極2と、母体の心電信号を取得するための1個の電極2を備え、胎児の心電信号を取得するためのデータ通信路は、11個の電極2に対応する11のチャネルにより構成される。
この装置本体3は、複数(11個)のチャネルから生体信号を受信して前処理を行う前処理部4と、前処理が実行された生体信号から胎児成分(信号)を抽出(分離)する胎児成分抽出処理部5と、胎児成分抽出処理部5により抽出された信号を加工して、胎児心電成分を多く含む信号を適切に選択して並び替えるチャネル並び替え部6と、チャネル並び替え部6により並び替えられた信号の波形データ(胎児心電図に相当する信号)を表示するモニタ7と、を備えている。
本実施形態では、チャネル並び替え部6が胎児成分抽出処理部5により分離された信号を処理して胎児特徴表示信号を抽出し、抽出された胎児特徴表示信号から母体の心電信号が出現される可能性のあるタイミングの信号を除去することで、胎児の心電信号を多く含む胎児特徴信号を得て、これに基づいて胎児成分抽出処理部5により分離された信号の中から胎児心電成分を確実に含む信号を選択できる点に特徴を有している。以下に詳しく説明する。
複数の電極2は、いわゆる超音波センサにより構成され、母体Mの胸部や腹部に装着される。例えば、1個の電極2は、母体Mの心電信号を検出するため、母体Mの胸部に装着され、その他の11個の電極2は、母体Mの腹部に装着される。これら各電極2は、妊娠中の母体Mの心臓からの母体の心電信号及び胎児M1の心臓からの胎児の心電信号やノイズ等を含む生体信号を検出する。そして、各電極2により検出された生体信号は、ケーブル(図示省略)を介して装置本体3の前処理部4へと送信される。
例えば、複数の電極2による生体信号の検出は、略20分間行われる。
前処理部4は、各電極2から検出された生体信号を解析するために、該生体信号をデジタル信号に変換する。具体的には、前処理部4では、各電極2から入力された生体信号を計測し、生体信号に含まれる胎児の心電信号を増幅させる。また、アナログデータ(生体信号)をデジタルデータに変換するとともに、オンライン計算可能なブロック毎にデータを蓄え、胎児成分抽出処理部5に出力する。
胎児成分抽出処理部5は、上述したように、前処理部4から取得した複数チャネルの生体信号から参照系独立成分分析方法により胎児心電成分を分離する。そして、胎児成分抽出処理部5により抽出された複数チャネルごとの信号は、チャネル並び替え部6に出力される。
例えば、胎児成分抽出処理部5は、前処理部4から取得した11チャネルの生体信号から胎児心電成分を分離する。また、1チャネルごと15000サンプル(1000サンプル1秒であることから、15秒分のサンプル)ごとに信号(波形データ)が分離され、チャネル並び替え部6へと送信される。
チャネル並び替え部6は、図3に示すように、胎児成分抽出処理部5から取得した参照系独立成分分析法により分離された信号からノイズを除去して胎児特徴表示信号を抽出する胎児特徴表示信号抽出部51と、胎児特徴表示信号抽出部により抽出された胎児特徴表示信号から母体の心電信号が出現する可能性のあるタイミングの信号を除去することで、胎児の心電信号を多く含む胎児特徴信号を得る母体心電信号除去部52と、複数チャネルごとの複数の胎児特徴信号から複数サンプルごとに値の大きいデータを含むサンプルからなる圧縮データを生成するデータ圧縮部53と、データ圧縮部53により生成された圧縮データのうち、ノイズを除き最も大きい標準偏差の圧縮データを含む参照系独立成分分析法により分離された信号をチャネルごとに選択する信号選択部54と、標準偏差の大きさ順に複数チャネルの上記信号を並べて表示する画像生成部55と、を備えている。
複数信号生成部511は、複数チャネルごとに参照系独立成分分析法により分離された信号の位相をずらして虚部信号を含む複数の複素信号を生成する。具体的には、複数信号生成部511は、複数のチャネルD1〜D11の参照系独立成分分析法により分離された信号に対してヒルベルト変換を実行して、上記信号の位相を90°遅らせる処理を実行し、上記信号の虚部(図4に示すimage)をそれぞれ生成する。
また、複数信号生成部511は、上記信号の虚部信号を含む複素信号(図4に示すreal±image)を生成する。この信号の虚部信号を含む複素信号は、信号の位相を45°遅らせた信号と、信号の位相を45°進めた信号とからなる。このため、本実施形態では、複数のチャネルD1〜D11ごとに虚部信号を含む4つの複素信号が生成される。すなわち、複数信号生成部511は、複数のチャネルD1〜D11の信号をそれぞれ4倍に増やすことにより、4つの複素信号を生成する。これにより、44ch×15000サンプルの複素信号が生成される。
この虚部は、実部に対して大きなR波が表れている場合があり、胎児の特徴を抽出する際の判断の材料に用いるためである。すなわち、本処理では、信号のピークの高さや形状を求めることを目的としておらず、胎児心電成分を目立たせて、胎児心電成分を多く含む信号を抽出して選択することを目的としている。このため、4つの複素信号を生成している。
なお、本実施形態では、虚部信号を含む複素信号は、4倍に増やすこととしたが、これに限らず、2倍であってもよいし、実部を使わなくてもよい。また、参照系独立成分分析法により分離された信号の虚部を生成するのに、ヒルベルト変換を用いたが、これに限らず、他の方法により虚部を生成してもよい。
なお、これら各波形データH1〜H4においては、周波数の高い成分及び周波数の低い成分のいずれも図5(c)に示すように1/4周期(=90°)ずれる(波形データの山の形や高さなどが変わる)が、周波数の低い成分は、周波数の大きい成分に比べて1周期が長いため、ずれが大きくなる。すなわち、周波数の高い成分(胎児心電成分のR波成分)はほとんどピークの位置が変わらない。このため、次の特定周波数帯域成分抽出部による処理で、このピークの位置の信号を抽出し易くできる。
特定周波数帯域成分抽出部512は、複数チャネルD1〜D11ごとの4つの複素信号の特定周波数帯域成分を抽出する。胎児心電成分のR波成分は、10Hz〜40Hz相当の周波数を多く含むため、例えば、10〜40Hzの周波数帯域成分を抽出する。この特定周波数帯域成分抽出部512による処理が実行されると、周波数の高い成分(40Hz)は残り、周波数の低い成分は、平らになる。この際、複素信号のそれぞれの周波数の高い成分は、角度(realやimage等)によって周波数の高さが若干異なる場合があるが、いずれの複素信号においても、周波数の高い成分が抽出される。
抽出部513は、特定周波数帯域成分抽出部512により抽出された特定周波数帯域成分を絶対値に変換するとともに標準偏差σを算出して該特定周波数帯域成分を標準化した後、胎児特徴表示信号を抽出する。具体的には、抽出部513は、特定周波数帯域成分の標準偏差σを算出し、該標準偏差σで割ることにより、各チャネルのノイズの高さを揃える。これにより、ノイズと比べてどのチャネルのピークが目立つかをピークの高さを比較するだけで、容易に判断できる。ここで、特定周波数帯域成分にはノイズが含まれており、このノイズの95%が±2σの範囲内に収まる。このため、2.5σ未満は、基線の範疇とみなしている。また、胎児成分のR波成分(ピーク値)は、3σ〜5σの範囲内であり、10σを超えた範囲は、大きなノイズである可能性が高い。このため、抽出部513は、標準偏差σを算出した後、σで割ったのち、2.5σ〜10σを胎児特徴表示信号として抽出する。この抽出部513の処理により特定周波数帯域成分からノイズのほとんどを取り除いた胎児特徴表示信号が生成される。
なお、上記実施形態では、抽出部513は、2.5σ〜10σを胎児特徴表示信号として抽出することとしたが、これに限らず、この範囲は適宜設定できる。
母体心電信号除去部52は、胎児特徴表示信号から母体の心電信号が出現される可能性のあるタイミングの信号を除去することで、胎児の心電信号を多く含む胎児特徴信号を得る。この母体の心電信号が出現される可能性のあるタイミングは、母体の胸部に装着された電極2から取得された生体信号から胎児成分抽出処理部5により予め検出された母体の心電信号の周期(図6(a)の大きい波形H21及び破線H22で示された周期)である。
なお、胎児心電成分と母体の心電信号とが重なる可能性があるが、胎児心電成分も母体の心電信号とともに除去して「0」とする。また、母体の心電信号が表れていない場合も、母体の心電信号が出現される可能性があるタイミング(例えば、上記破線H22で表されたタイミング)の前後の信号を除去して「0」とする。すなわち、母体の心電信号が表れているかいないかの判断をすることなく、母体の心電信号が出現される可能性のあるタイミングの前後の信号を「0」とする。
データ圧縮部53は、複数チャネルごとの複数の胎児特徴信号を複数サンプルごとに圧縮する。具体的には、各チャネル15000サンプルを300サンプルに圧縮する。この際、50サンプルごと(図7(a)の各線で囲まれた範囲H24)の最大値を抽出し、この50サンプル分をその最大値を含む1つのサンプルとする。得られた300サンプル(×44チャネル)のうち隣接するサンプルのデータを比較して、最も大きいサンプル以外のサンプルのデータを「0」とした圧縮データを新たに作成する。
ここで、胎児心電成分のR波は、240bpm程度が最大値であり、400bpm以上はむしろノイズを検出している可能性が高いため、400bpmであっても150サンプル内に胎児心電成分のR波成分は、1つ以上含まれることはない。このため、圧縮後の300サンプルのデータの1サンプル(圧縮前の50サンプル)の最大値が両隣のサンプルの最大値より小さい場合に、これを「0」として扱うことで、3サンプルに1つの割合で胎児心電成分のR波成分が含まれた図7(b)に示すような圧縮データが生成される。
信号選択部54は、各チャネルの圧縮データの標準偏差を算出する。上記圧縮データにおいて、胎児心電成分のR波成分が検出できている場合、ピーク値が多数検出でき、標準偏差の値が大きくなる。このため、複数チャネルごとに標準偏差の大きい順に並べ、各チャネルのうち、標準偏差が2番目に大きい圧縮データを選択して、該標準偏差の大きい順に並べる。
この際、標準偏差が2番目に大きい圧縮データを選択するのは、標準偏差が最も大きい圧縮データを選択すると、突発的なノイズが含まれることにより標準偏差が最も大きくなっている圧縮データを選択しないようにするためである。具体的には、複数信号生成部511で複素信号が4つ生成されるが、元は同じデータ(参照系独立成分分析法により分離された信号)なので、ほとんど同じ標準偏差となるが突発的に生じたノイズにより標準偏差が大きくなったデータを外し、ほとんど同じ標準偏差となる残りのデータのうちの、2番目に大きい圧縮データを選択している。
なお、信号選択部54は、標準偏差が2番目に大きい圧縮データを選択することとしたが、これに限らず、例えば、標準偏差が1番目に大きい圧縮データを選択してもよいし、標準偏差が3番目、若しくは4番目に大きい圧縮データを選択してもよい。
画像生成部55は、標準偏差が2番目に大きい圧縮データのそれぞれを標準偏差の大きさ順で、複数のチャネルの参照系独立成分分析法により分離された信号を並べてモニタ7に表示させる。具体的には、画像生成部55は、胎児心電成分が多く含まれる順で複数チャネルの参照系独立成分分析法により分離された信号が並び替えられた画像を生成してモニタ7へと出力する。
例えば、胎児成分抽出処理部5により分離された信号の波形データ(胎児心電図に相当する信号)が複数チャネルのチャネル順に表示された画像(図8参照)では、胎児心電成分が多く含まれる信号がどの信号であるかがわかりにくいが、本実施形態では、画像生成部55により生成された画像は、胎児心電成分が多く含まれる信号が最も上側に配置される(図9参照)。このような図9に示すような画像がモニタ7に表示されることにより、医療従事者は、胎児心電成分を多く含む信号の波形データ(胎児心電図に相当する信号)を確実に選択できることとなる。
以上説明したチャネル並び替え部6(胎児心電処理装置)は、図1に示す手順に沿って胎児心電処理を実行する。
まず、複数信号生成部511は、複数のチャネルD1〜D11の参照系独立成分分析法により分離された信号に対してヒルベルト変換を実行して、上記信号の虚部(図4に示すimage)を生成する(ステップS11)。そして、複素信号生成部511は、ステップS11にて生成した虚部信号を含む4つの複素信号を複数のチャネルD1〜D11ごとに生成する波形合成を実行する(ステップS12)。
ステップS12を実行した後、特定周波数帯域成分抽出部512は、複数チャネルD1〜D11ごとの4つの複素信号の特定周波数帯域成分を抽出する(ステップS13)。その後、抽出部513は、ステップS13により抽出された特定周波数帯域成分を絶対値に変換する(ステップS14)とともに、標準偏差σを算出する(ステップS15)。そして、抽出部513は、標準偏差σを算出した後、σで割ったのち、2.5σ〜10σを胎児特徴表示信号として抽出する(ステップS16)。
これにより、特定周波数帯域成分からノイズのほとんどが取り除かれた胎児特徴表示信号が抽出される。すなわち、ステップS11〜S16の処理は、本発明の胎児特徴表示信号抽出ステップに相当し、ステップS11及びS12が複数信号生成ステップに相当し、ステップS13が特定周波数帯域成分抽出ステップに相当する。
その後、データ圧縮部53は、複数チャネルごとの複数の胎児特徴信号から複数サンプルごとに値の大きいデータを取得するデータ圧縮ステップを実行する(ステップS18)。
ステップS18の実行後、信号選択部54は、各チャネルの圧縮データの標準偏差を算出し(ステップS19)、複数チャネルごとに標準偏差の大きい順に並べ(ステップS20)、各チャネルのうち、標準偏差が2番目に大きい圧縮データを選択して、該標準偏差の大きい順に並べる(ステップS21)。これらステップS18〜S21の処理は、本発明の信号選択ステップに相当する。
そして、画像生成部55は、胎児心電成分が多く含まれる順で複数チャネルの参照系独立成分分析法により分離された信号が並び替えられた画像を生成してモニタ7へと出力して(ステップS22)、チャネル並び替え処理(胎児心電信号処理)が終了する。
また、胎児心電成分の特徴を多く含むチャネルを選択できる可能性が高まることから、1拍ごとのR波の位置を認識できる可能性が高まり、これをリファレンスや予測モデルとして再解析することでR波のピークの検出精度向上やより正確な心電図成分の推測が可能となる。また、これに加えて1拍ごとの胎児心拍数の算出が正確にできる。
2 電極
3 装置本体
4 前処理部
5 胎児成分抽出処理部
6 チャネル並び替え部(胎児心電信号処理装置)
7 モニタ
51 胎児特徴表示信号抽出部
52 母体心電信号除去部
53 データ圧縮部
54 信号選択部
55 画像生成部
511 複数信号生成部
512 特定周波数帯域成分抽出部
513 抽出部
Claims (6)
- 妊娠中の母体より取得された複数チャネルの生体信号から参照系独立成分分析法により分離された信号からノイズを除去して胎児特徴表示信号を抽出する胎児特徴表示信号抽出ステップと、
前記胎児特徴表示信号抽出ステップにより抽出された前記胎児特徴表示信号から前記母体の心電信号が出現される可能性のあるタイミングの信号を除去することで、胎児の心電信号を多く含む胎児特徴信号を得る母体心電信号除去ステップと、を備えることを特徴とする胎児心電信号処理方法。 - 前記胎児特徴表示信号抽出ステップは、前記複数チャネルごとに前記参照系独立成分分析法により分離された信号の位相をずらして得た虚部信号を含む複数の複素信号を生成する複数信号生成ステップと、前記複数のチャネルごとの前記複数の複素信号の特定周波数帯域成分を抽出する特定周波数帯域成分抽出ステップと、を備え、
前記母体心電信号除去ステップでは、前記複数の複素信号の特定周波数帯域成分から前記母体の心電信号が出現される可能性のあるタイミングの信号を除去することを特徴とする請求項1に記載に胎児心電信号処理方法。 - 前記複数チャネルごとの複数の前記胎児特徴信号から複数サンプルごとに値の大きいデータを含むサンプルからなる圧縮データを生成するデータ圧縮ステップと、
前記データ圧縮ステップにより生成された圧縮データのうち、ノイズを除き最も大きい標準偏差の圧縮データを含む前記参照系独立成分分析法により分離された信号を前記複数チャネルごとに選択する信号選択ステップと、を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の胎児心電信号処理方法。 - 妊娠中の母体より取得された複数チャネルの生体信号から参照系独立成分分析法により分離された信号からノイズを除去して胎児特徴表示信号を抽出する胎児特徴表示信号抽出部と、
前記胎児特徴表示信号抽出部により抽出された前記胎児特徴表示信号から前記母体の心電信号が出現される可能性のあるタイミングの信号を除去することで、胎児の心電信号を多く含む胎児特徴信号を得る母体心電信号除去部と、を備えることを特徴とする胎児心電信号処理装置。 - 前記胎児特徴表示信号抽出部は、前記複数チャネルごとに前記参照系独立成分分析法により分離された信号の位相をずらして得た虚部信号を含む複数の複素信号を生成する複数信号生成部と、前記複数のチャネルごとの前記複数の複素信号の特定周波数帯域成分を抽出する特定周波数帯域成分抽出部と、を備え、
前記母体心電信号除去部は、前記複数の複素信号の特定周波数帯域成分から前記母体の心電信号が出現される可能性のあるタイミングの信号を除去することを特徴とする請求項4に記載に胎児心電信号処理装置。 - 前記複数チャネルごとの複数の前記胎児特徴信号から複数サンプルごとに値の大きいデータを含むサンプルからなる圧縮データを生成するデータ圧縮部と、
前記データ圧縮部により生成された圧縮データのうち、ノイズを除き最も大きい標準偏差の圧縮データを含む前記参照系独立成分分析法により分離された信号を前記複数チャネルごとに選択する信号選択部と、を備えることを特徴とする請求項4又は5に記載の胎児心電信号処理装置。
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