JP2023154347A - Time series data processing device, time series data processing method, and computer program - Google Patents

Time series data processing device, time series data processing method, and computer program Download PDF

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Atsushi Kawamoto
靖弘 生田
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Abstract

To provide a time series data processing device capable of data processing excluding arbitrariness.SOLUTION: Provided is a time series data processing device 10 including: a transformation unit 101 that transforms time series data into data of a frequency domain; a selection unit 102 that selects a predetermined frequency component from the data of the frequency domain; and an inverse transformation unit 103 that inversely transforms the frequency component selected by the selection unit 102 into data of a time domain. The selection unit 102 selects a frequency component with which a difference between the time series data and the data inversely transformed by the inverse transformation unit 103 is smaller than a predetermined threshold.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、時系列データ処理装置、時系列データ処理方法及びコンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to a time-series data processing device, a time-series data processing method, and a computer program.

被験者の生体データに基づいた被験者の生体情報を精度良く得るためには、生体データに重畳されるノイズを除去することが求められる。そこで、被験者の生体データのような時系列データのノイズを除去するための時系列データ処理に関する技術が開示されている。特許文献1には、睡眠時ポリソムノグラフィを使用する場合に比べて被験者への負担を少なくするとともに、従来の方式に比べて心拍間隔を高精度に検出するための技術が開示されている。 In order to accurately obtain biological information of a subject based on the biological data of the subject, it is required to remove noise superimposed on the biological data. Therefore, techniques related to time-series data processing for removing noise from time-series data such as biological data of a subject have been disclosed. Patent Document 1 discloses a technology that reduces the burden on the subject compared to using sleep polysomnography and detects heartbeat intervals with higher accuracy than conventional methods. .

詳細には、特許文献1には、第1の刻み幅と振動波形とに基づいて第1の呼吸波形を演算すると共に、第1の刻み幅とは期間が異なる第2の刻み幅と振動波形とに基づいて第2の呼吸波形を演算し、振動波形から第1の呼吸波形を減算した第1の脈波波形を演算すると共に、振動波形から第2の呼吸波形を減算した第2の脈波波形を演算し、各脈波波形の中から各ピークの間隔が異常であるピーク間隔の数が少ない脈波波形に基づいて心拍数変動指標を演算する生体情報の取得装置が開示されている。 Specifically, in Patent Document 1, a first respiratory waveform is calculated based on a first step size and a vibration waveform, and a second step size and a vibration waveform having a period different from the first step size are calculated. A second respiratory waveform is calculated based on the above, a first pulse waveform is calculated by subtracting the first respiratory waveform from the vibration waveform, and a second pulse waveform is calculated by subtracting the second respiratory waveform from the vibration waveform. Disclosed is a biological information acquisition device that calculates a pulse waveform and calculates a heart rate variability index based on a pulse waveform that has a small number of abnormal peak intervals among the pulse waveforms. .

そして、特許文献1には、前処理としてバンドパスフィルタにおいてマイクロ波レーダーの出力から、通常の体動や呼吸、脈波の周期よりも高周波の成分と、直流成分とを除去している。また特許文献1には、前処理として第1の呼吸波形を演算する際に単純移動平均法または重み付き移動平均法を用いている。 In Patent Document 1, as a preprocessing, a bandpass filter removes components of a frequency higher than the period of normal body movement, breathing, and pulse waves and a DC component from the output of the microwave radar. Further, in Patent Document 1, a simple moving average method or a weighted moving average method is used when calculating the first respiratory waveform as preprocessing.

特開2017-104360号公報JP2017-104360A

しかし、特許文献1で開示されている技術では、バンドパスフィルタで除去される周波数帯の成分に必要なデータが含まれていたり、バンドパスフィルタを通過した成分にノイズが含まれていたりする可能性を判定できない。また特許文献1で開示されている技術では、移動平均だけでは、どの周波数成分を操作したか判定できない。そして、特許文献1で開示されている技術には、前処理が解析者の裁量に依存し、前処理に恣意性が入りやすいので、誤った結論を引き出す可能性がある。 However, with the technology disclosed in Patent Document 1, it is possible that necessary data may be included in the frequency band components removed by the band-pass filter, or noise may be included in the components that have passed through the band-pass filter. Unable to determine gender. Furthermore, with the technique disclosed in Patent Document 1, it is not possible to determine which frequency component has been manipulated using only the moving average. Furthermore, in the technique disclosed in Patent Document 1, the preprocessing depends on the discretion of the analyst and the preprocessing is likely to be arbitrary, so there is a possibility of drawing an incorrect conclusion.

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、恣意性を排除したデータ処理が可能な、時系列データ処理装置、時系列データ処理方法及びコンピュータプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a time-series data processing device, a time-series data processing method, and a computer program that are capable of data processing that eliminates arbitrariness.

上記の目的を達成するために、本発明のある観点に係る時系列データ処理装置は、時系列データを周波数ドメインのデータに変換する変換部と、前記周波数ドメインのデータから所定の周波数成分を選択する選択部と、前記選択部が選択した前記周波数成分を時間ドメインのデータに逆変換する逆変換部と、を備え、前記選択部は、前記時系列データと前記逆変換部による逆変換後のデータとの差が所定の閾値より小さくなる周波数成分を選択する、を備える。 In order to achieve the above object, a time series data processing device according to an aspect of the present invention includes a conversion unit that converts time series data into frequency domain data, and a conversion unit that selects a predetermined frequency component from the frequency domain data. and an inverse transformation unit that inversely transforms the frequency component selected by the selection unit into time domain data, and the selection unit is configured to convert the time series data and the frequency component after the inverse transformation by the inverse transformation unit. Selecting a frequency component whose difference from the data is smaller than a predetermined threshold value.

前記選択部は、前記逆変換部による逆変換後のデータが自己無撞着となる周波数成分を選択してもよい。 The selection unit may select a frequency component for which data after inverse transformation by the inverse transformation unit is self-consistent.

前記選択部は、第1の周波数成分の逆変換後のデータと、前記第1の周波数成分を含む第2の周波数成分の逆変換後のデータとの差が所定の閾値より小さくなった場合に、前記逆変換部による逆変換後のデータが自己無撞着となったと判断してもよい。 The selection unit is configured to select, when the difference between the data after the inverse transformation of the first frequency component and the data after the inverse transformation of the second frequency component including the first frequency component becomes smaller than a predetermined threshold value. , it may be determined that the data after inverse transformation by the inverse transformation unit has become self-consistent.

前記時系列データは、生体信号又は生体信号に基づく信号であってもよい。 The time series data may be a biological signal or a signal based on a biological signal.

上記の目的を達成するために、本発明の別の観点に係る時系列データ処理方法は、プロセッサが、時系列データを周波数ドメインのデータに変換し、前記周波数ドメインのデータから所定の周波数成分を選択し、選択された前記周波数成分を時間ドメインのデータに逆変換し、前記時系列データと逆変換後のデータとの差が所定の閾値より小さくなる周波数成分を選択する処理を実行する。 In order to achieve the above object, in a time series data processing method according to another aspect of the present invention, a processor converts time series data into frequency domain data, and extracts a predetermined frequency component from the frequency domain data. The selected frequency component is inversely transformed into time domain data, and a process of selecting a frequency component for which a difference between the time series data and the data after the inverse transformation is smaller than a predetermined threshold value is executed.

上記の目的を達成するために、本発明の別の観点に係るコンピュータプログラムは、コンピュータに、時系列データを周波数ドメインのデータに変換し、前記周波数ドメインのデータから所定の周波数成分を選択し、選択された前記周波数成分を時間ドメインのデータに逆変換し、前記時系列データと逆変換後のデータとの差が所定の閾値より小さくなる周波数成分を選択する処理を実行させる。 In order to achieve the above object, a computer program according to another aspect of the present invention causes a computer to convert time series data to frequency domain data, select a predetermined frequency component from the frequency domain data, A process of inversely transforming the selected frequency component into time domain data and selecting a frequency component for which a difference between the time series data and the data after the inverse transformation is smaller than a predetermined threshold value is executed.

本発明によれば、恣意性を排除したデータ処理が可能な、時系列データ処理装置、時系列データ処理方法及びコンピュータプログラムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a time-series data processing device, a time-series data processing method, and a computer program that are capable of data processing without arbitrariness.

実施形態に係る時系列データ処理システムの概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a time-series data processing system according to an embodiment. 時系列データ処理装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of a hardware configuration of a time-series data processing device. 時系列データ処理装置の機能構成の例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of a functional configuration of a time-series data processing device. 時系列データ処理装置による時系列データ処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of time series data processing by a time series data processing device. 時系列データ、例えば脳波のデータの収束過程の例を示したグラフである。It is a graph showing an example of a convergence process of time series data, for example, brain wave data. 時系列データの一例である脈波のデータの例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of pulse wave data, which is an example of time-series data. 時系列データの一例である脳波のデータの例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of brain wave data, which is an example of time-series data. オリジナルの脈波のデータと、誤差が閾値以下となった周波数成分を基に再構成した時系列データとを重ね合わせたグラフである。This is a graph in which original pulse wave data and time series data reconstructed based on frequency components whose error is below a threshold are superimposed. オリジナルの脳波のデータと、誤差が閾値以下となった周波数成分を基に再構成した時系列データとを重ね合わせたグラフである。This is a graph in which original brain wave data and time series data reconstructed based on frequency components whose error is below a threshold are superimposed.

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符号を付与している。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 An example of an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same reference numerals are given to the same or equivalent components and parts in each drawing. Furthermore, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual ratios.

図1は、本実施形態に係る時系列データ処理システムの概略構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a time-series data processing system according to this embodiment.

図1に示した時系列データ処理システムは、時系列データの一例である生体信号を測定する生体信号測定装置1と、生体信号測定装置1が測定した生体信号に対する処理を行う時系列データ処理装置10と、を備える。 The time-series data processing system shown in FIG. 1 includes a biological signal measuring device 1 that measures biological signals, which are an example of time-series data, and a time-series data processing device that processes the biological signals measured by the biological signal measuring device 1. 10.

生体信号測定装置1が測定する生体信号は、例えば心拍、心電図、心磁図、脳波、脳磁図、脈波、体温、血圧、筋電図、皮膚電位、又はこれらを加工した信号であるが、本発明は係る例に限定されるものでは無い。生体信号に基づく信号の例としては、上述した生体信号を複数組み合わせた信号、又は、上述の生体信号に基づいて算出された数値が挙げられる。生体信号に基づく信号は、生体信号と、その他の信号とが組み合わされた信号であってもよい。 The biological signals measured by the biological signal measuring device 1 are, for example, heartbeat, electrocardiogram, magnetocardiogram, electroencephalogram, magnetoencephalogram, pulse wave, body temperature, blood pressure, electromyogram, skin potential, or signals processed from these. The invention is not limited to such examples. Examples of the signal based on the biosignal include a signal obtained by combining a plurality of the above-mentioned biosignals, or a numerical value calculated based on the above-mentioned biosignal. The signal based on the biosignal may be a combination of the biosignal and other signals.

生体信号測定装置1が測定する生体信号には、ノイズが重畳されている場合がある。例えば、生体信号が脈波に基づくものである場合、被測定者の脈波だけでなく、被測定者の体動又は呼吸に伴う振動又はノイズも含まれうる。ノイズが重畳されている状態では、生体信号に対して正確な処理を行うことが出来ない。従って、生体信号に重畳されているノイズは、生体信号に対する処理の前に除去される必要がある。 The biological signals measured by the biological signal measuring device 1 may have noise superimposed thereon. For example, if the biological signal is based on a pulse wave, it may include not only the pulse wave of the subject but also vibrations or noise associated with body movements or breathing of the subject. When noise is superimposed, accurate processing cannot be performed on biological signals. Therefore, the noise superimposed on the biological signal needs to be removed before the biological signal is processed.

そこで、時系列データ処理装置10は、生体信号測定装置1から送られる生体信号に対して、生体信号に重畳されるノイズを除去する処理を実行した上で、生体信号に関する処理を実行する。本実施形態に係る時系列データ処理装置10は、生体信号に重畳されるノイズを除去する際に、生体信号を周波数ドメインのデータに変換し、周波数ドメインのデータから所定の周波数成分を選択する。そして時系列データ処理装置10は、選択した周波数成分を時間ドメインのデータに逆変換し、生体信号と逆変換後のデータとの差が所定の閾値より小さくなる周波数成分を選択することで、生体信号測定装置1から送られる生体信号に重畳されるノイズを除去する。 Therefore, the time-series data processing device 10 performs processing on the biosignal sent from the biosignal measurement device 1 to remove noise superimposed on the biosignal, and then performs processing related to the biosignal. The time-series data processing device 10 according to the present embodiment converts the biological signal into frequency domain data and selects a predetermined frequency component from the frequency domain data when removing noise superimposed on the biological signal. The time-series data processing device 10 then inversely transforms the selected frequency components into time domain data, and selects a frequency component for which the difference between the biological signal and the data after the inverse transformation is smaller than a predetermined threshold. Noise superimposed on the biological signal sent from the signal measuring device 1 is removed.

時系列データ処理装置10は、生体信号測定装置1から送られる生体信号に重畳されるノイズを除去した後に、生体信号に対する処理を実行する。時系列データ処理装置10が行う生体信号に対する処理には、例えば、生体信号に基づいた波形の表示、心拍数、体温、血圧その他の生体情報の表示等がある。 The time-series data processing device 10 removes noise superimposed on the biosignal sent from the biosignal measurement device 1, and then executes processing on the biosignal. The processing performed on biological signals by the time-series data processing device 10 includes, for example, displaying waveforms based on biological signals, displaying heart rate, body temperature, blood pressure, and other biological information.

時系列データ処理装置10は、このように周波数ドメインのデータへの変換及び逆変換を行って、生体信号と逆変換後のデータとの差が所定の閾値より小さくなる周波数成分を選択することで、恣意性を排除したデータ処理が可能となる。 The time series data processing device 10 performs the conversion to frequency domain data and inverse conversion in this way, and selects the frequency component for which the difference between the biological signal and the data after the inverse conversion is smaller than a predetermined threshold. , it becomes possible to process data without arbitrariness.

なお、時系列データ処理装置10は、クラウドネットワーク上のサーバ、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、スマートウォッチ、スマートバンド、ウェアラブル機器、医療機器、診断装置等の時系列データを扱う装置全般に適用可能である。また、時系列データ処理装置10が扱う時系列データは生体信号に限られず、時間的に連続したデータであればその種類は問わない。 Note that the time-series data processing device 10 is applicable to all devices that handle time-series data, such as servers on cloud networks, personal computers, smartphones, smart watches, smart bands, wearable devices, medical devices, and diagnostic devices. Further, the time series data handled by the time series data processing device 10 is not limited to biological signals, and any type of data may be used as long as it is temporally continuous data.

図2は、時系列データ処理装置10のハードウェア構成例を示すブロック図である。 FIG. 2 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of the time-series data processing device 10. As shown in FIG.

図2に示すように、時系列データ処理装置10は、CPU(Central Processing Unit)11、ROM(Read Only Memory)12、RAM(Random Access Memory)13、ストレージ14、入力部15、表示部16及び通信インタフェース(I/F)17を有する。各構成は、バス19を介して相互に通信可能に接続されている。 As shown in FIG. 2, the time series data processing device 10 includes a CPU (Central Processing Unit) 11, a ROM (Read Only Memory) 12, a RAM (Random Access Memory) 13, a storage 14, an input section 15, a display section 16, and It has a communication interface (I/F) 17. Each configuration is communicably connected to each other via a bus 19.

CPU11は、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、CPU11は、ROM12またはストレージ14からプログラムを読み出し、RAM13を作業領域としてプログラムを実行する。CPU11は、ROM12またはストレージ14に記録されているプログラムにしたがって、上記各構成の制御および各種の演算処理を行う。本実施形態では、ROM12またはストレージ14には、生体信号測定装置1から送られる生体信号に対して、生体信号に重畳されるノイズを除去する時系列データ処理プログラムが格納されている。 The CPU 11 is a central processing unit that executes various programs and controls various parts. That is, the CPU 11 reads a program from the ROM 12 or the storage 14 and executes the program using the RAM 13 as a work area. The CPU 11 controls each of the above components and performs various arithmetic operations according to programs recorded in the ROM 12 or the storage 14. In this embodiment, the ROM 12 or the storage 14 stores a time-series data processing program for removing noise superimposed on the biological signal sent from the biological signal measurement device 1 .

ROM12は、各種プログラムおよび各種データを格納する。RAM13は、作業領域として一時的にプログラムまたはデータを記憶する。ストレージ14は、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)またはフラッシュメモリ等の記憶装置により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、および各種データを格納する。 The ROM 12 stores various programs and data. The RAM 13 temporarily stores programs or data as a work area. The storage 14 is constituted by a storage device such as an HDD (Hard Disk Drive), an SSD (Solid State Drive), or a flash memory, and stores various programs including an operating system and various data.

入力部15は、マウス等のポインティングデバイス、およびキーボードを含み、各種の入力を行うために使用される。 The input unit 15 includes a pointing device such as a mouse and a keyboard, and is used to perform various inputs.

表示部16は、たとえば、液晶ディスプレイであり、各種の情報を表示する。表示部16は、タッチパネル方式を採用して、入力部15として機能しても良い。 The display unit 16 is, for example, a liquid crystal display, and displays various information. The display section 16 may adopt a touch panel method and function as the input section 15.

通信インタフェース17は、他の機器と通信するためのインタフェースであり、たとえば、イーサネット(登録商標)、FDDI、Wi-Fi(登録商標)等の規格が用いられる。 The communication interface 17 is an interface for communicating with other devices, and uses standards such as Ethernet (registered trademark), FDDI, and Wi-Fi (registered trademark), for example.

上記の時系列データ処理プログラムを実行する際に、時系列データ処理装置10は、上記のハードウェア資源を用いて、各種の機能を実現する。時系列データ処理装置10が実現する機能構成について説明する。 When executing the above-described time-series data processing program, the time-series data processing device 10 uses the above-mentioned hardware resources to realize various functions. The functional configuration realized by the time series data processing device 10 will be explained.

次に、時系列データ処理装置10の機能構成について説明する。 Next, the functional configuration of the time series data processing device 10 will be explained.

図3は、時系列データ処理装置10の機能構成の例を示すブロック図である。 FIG. 3 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the time-series data processing device 10.

図3に示すように、時系列データ処理装置10は、機能構成として、変換部101、選択部102、逆変換部103、及びデータ処理部104を有する。各機能構成は、CPU11がROM12またはストレージ14に記憶された時系列データ処理プログラムを読み出し、実行することにより実現される。 As shown in FIG. 3, the time-series data processing device 10 includes a conversion section 101, a selection section 102, an inverse conversion section 103, and a data processing section 104 as functional configurations. Each functional configuration is realized by the CPU 11 reading and executing a time series data processing program stored in the ROM 12 or the storage 14.

変換部101は、生体信号測定装置1から送られる生体信号を周波数ドメインに変換する。具体的には、変換部101は、生体信号測定装置1から送られる生体信号をx(t)(t=[1:T])とすると、そのフーリエ変換F[x(t)]により周波数ドメインに変換する。 The conversion unit 101 converts the biological signal sent from the biological signal measuring device 1 into the frequency domain. Specifically, if the biosignal sent from the biosignal measuring device 1 is x(t) (t=[1:T]), the conversion unit 101 converts the biosignal into the frequency domain by the Fourier transform F[x(t)]. Convert to

選択部102は、変換部101が変換した周波数ドメインのデータから所定の周波数成分を選択する。具体的には、選択部102は、生体信号のフーリエ変換F[x(t)]の周波数成分[m:T-m]を選択する。選択部102が選択した周波数成分[m:T-m]をF[x(t)]とする。なお、mは1からT/2までの値である。そして選択部102は、後述の逆変換部103によって逆変換されたデータと、生体信号測定装置1から送られる生体信号との差分が所定の閾値より小さくなるような周波数成分F[x(t)]を選択する。周波数成分F[x(t)]の選択手法の詳細については後述する。 The selection unit 102 selects a predetermined frequency component from the frequency domain data converted by the conversion unit 101. Specifically, the selection unit 102 selects the frequency component [m:Tm] of the Fourier transform F[x(t)] of the biological signal. Let the frequency component [m:Tm] selected by the selection unit 102 be F m [x(t)]. Note that m is a value from 1 to T/2. Then, the selection unit 102 selects a frequency component F m [x(t )]. Details of the method for selecting the frequency component F m [x(t)] will be described later.

逆変換部103は、選択部102が選択した周波数成分のデータに対する、時間ドメインのデータへの逆変換を行う。具体的には、逆変換部103は、選択部102が選択した周波数成分F[x(t)]に対する逆フーリエ変換F-1[F[x(t)]]を行う。選択部102は、周波数成分F[x(t)]の選択に際して、数式(1)で示した二乗平均誤差によって定義される誤差E(m)を評価する。 The inverse transformation unit 103 performs inverse transformation of the frequency component data selected by the selection unit 102 into time domain data. Specifically, the inverse transform unit 103 performs an inverse Fourier transform F −1 [F m [x(t)]] on the frequency component F m [x(t)] selected by the selection unit 102. When selecting the frequency component F m [x(t)], the selection unit 102 evaluates the error E(m) defined by the root mean square error shown in Formula (1).

選択部102は、mを1からT/2まで増加させ、E(m)<Cとなったとき、時系列データが自己無撞着になったと判断し、ノイズ除去された時系列データx(t)を採用する。Cは判定のための閾値である。自己無撞着になったとは、元の時系列データと逆変換後のデータとの差分に関する値が所定の閾値C未満に収束した状態をいう。すなわち、選択部102は、逆変換部103が再構成した時系列データが自己無撞着となるよう周波数成分の選択を行ってもよい。 The selection unit 102 increases m from 1 to T/2 and determines that the time series data has become self-consistent when E(m)<C, and selects the noise-removed time series data x m ( t) is adopted. C is a threshold value for determination. Being self-consistent refers to a state in which the value related to the difference between the original time series data and the data after inverse transformation has converged to less than a predetermined threshold value C. That is, the selection unit 102 may select frequency components so that the time series data reconstructed by the inverse transformation unit 103 is self-consistent.

データ処理部104は、選択部102によってE(m)<Cとなるように選択された時系列データx(t)に対するデータ処理を行う。データ処理部104は、例えば、生体信号に基づいた波形の表示、心拍数、体温、血圧その他の生体情報の表示等の処理を行う。 The data processing unit 104 performs data processing on the time series data x m (t) selected by the selection unit 102 so that E(m)<C. The data processing unit 104 performs processing such as displaying waveforms based on biological signals, heart rate, body temperature, blood pressure, and other biological information.

時系列データ処理装置10は、係る構成を有することで、周波数ドメインのデータへの変換及び逆変換を行って、生体信号と逆変換後のデータとの差が所定の閾値より小さくなる周波数成分を選択することで、恣意性を排除したデータ処理が可能となる。時系列データ処理装置10は、時系列データの対象周波数を限定しつつ、時間領域で誤差評価することによって、時系列分析に必要な精度を保証できる。 By having such a configuration, the time series data processing device 10 performs conversion to frequency domain data and inverse conversion, and extracts frequency components for which the difference between the biological signal and the data after inverse conversion is smaller than a predetermined threshold. By making this selection, data processing that eliminates arbitrariness becomes possible. The time series data processing device 10 can guarantee the accuracy required for time series analysis by evaluating errors in the time domain while limiting the target frequencies of time series data.

なお、本実施形態では、時間ドメインのデータから周波数ドメインへのデータの変換にフーリエ変換を用いたが、本発明は係る例に限定されない。時系列データ処理装置10は、時間ドメインのデータから周波数ドメインへのデータの変換に、ラプラス変換、ウェーブレット変換等の任意の変換手法を用いてもよい。 Note that in this embodiment, Fourier transform is used to transform data from time domain data to frequency domain data, but the present invention is not limited to such an example. The time series data processing device 10 may use any transformation method such as Laplace transform or wavelet transform to transform data from time domain data to frequency domain data.

次に、時系列データ処理装置10の作用について説明する。 Next, the operation of the time series data processing device 10 will be explained.

図4は、時系列データ処理装置10による時系列データ処理の流れを示すフローチャートである。CPU11がROM12又はストレージ14から時系列データ処理プログラムを読み出して、RAM13に展開して実行することにより、時系列データ処理が行なわれる。図4に示した時系列データ処理は、生体信号測定装置1から送られる生体信号x(t)に対するデータ処理に先立って行われる前処理であり、生体信号x(t)に重畳されているノイズを除去する処理である。 FIG. 4 is a flowchart showing the flow of time-series data processing by the time-series data processing device 10. Time series data processing is performed by the CPU 11 reading a time series data processing program from the ROM 12 or the storage 14, expanding it to the RAM 13, and executing it. The time-series data processing shown in FIG. 4 is preprocessing performed prior to data processing of the biological signal x(t) sent from the biological signal measurement device 1, and is a preprocessing that is performed to eliminate noise superimposed on the biological signal x(t). This is a process to remove.

まずステップS101において、CPU11は、生体信号測定装置1から送られる生体信号x(t)を、フーリエ変換F[x(t)]により周波数ドメインのデータに変換する。 First, in step S101, the CPU 11 converts the biological signal x(t) sent from the biological signal measuring device 1 into frequency domain data by Fourier transform F[x(t)].

続いてステップS102において、CPU11は、周波数ドメインのデータからある周波数成分[m:T-m]を選択する。CPU11は、まずm=1の周波数成分[1:T-1]を選択する。このステップS102でCPU11が選択した周波数成分をF[x(t)]とする。 Subsequently, in step S102, the CPU 11 selects a certain frequency component [m:Tm] from the frequency domain data. The CPU 11 first selects the frequency component [1:T-1] of m=1. The frequency component selected by the CPU 11 in step S102 is assumed to be F 1 [x(t)].

続いてステップS103において、CPU11は、ステップS102で選択した周波数成分F[x(t)]に対する逆フーリエ変換を行ってF-1[F[x(t)]]を得る。m=1の場合、CPU11は、周波数成分F[x(t)]に対する逆フーリエ変換を行ってF-1[F[x(t)]]を得る。 Subsequently, in step S103, the CPU 11 performs inverse Fourier transform on the frequency component F m [x(t)] selected in step S102 to obtain F −1 [F m [x(t)]]. When m=1, the CPU 11 performs inverse Fourier transform on the frequency component F 1 [x(t)] to obtain F −1 [F 1 [x(t)]].

続いてステップS104において、CPU11は、上記数式(1)を用いることでE(m)を求め、E(m)の評価を行う。具体的に、CPU11は、E(m)が所定の評価誤差Cを下回っているかどうかにより、E(m)の評価を行う。 Subsequently, in step S104, the CPU 11 calculates E(m) using the above formula (1), and evaluates E(m). Specifically, the CPU 11 evaluates E(m) depending on whether E(m) is less than a predetermined evaluation error C.

続いてステップS105において、CPU11は、E(m)<Cとなっているかどうか判断する。換言すれば、CPU11は、逆フーリエ変換により再構成した時系列データが自己無撞着となっているかどうか判断する。ステップS105の判断の結果、E(m)<Cとなっていれば(ステップS105;Yes)、CPU11は一連の処理を終了する。一方、ステップS105の判断の結果、E(m)<Cとなっていなければ(ステップS105;No)、続いてステップS106において、CPU11はmを1つ増加させて、ステップS102の周波数成分の選択処理に戻る。 Subsequently, in step S105, the CPU 11 determines whether E(m)<C. In other words, the CPU 11 determines whether the time series data reconstructed by inverse Fourier transform is self-consistent. As a result of the determination in step S105, if E(m)<C (step S105; Yes), the CPU 11 ends the series of processing. On the other hand, as a result of the determination in step S105, if E(m)<C is not satisfied (step S105; No), then in step S106, the CPU 11 increases m by one and selects the frequency component in step S102. Return to processing.

時系列データ処理装置10は、係る処理を有することで、周波数ドメインのデータへの変換及び逆変換を行って、生体信号と逆変換後のデータとの差が所定の閾値より小さくなる周波数成分を選択することで、恣意性を排除したデータ処理が可能となる。 By having such processing, the time series data processing device 10 performs conversion to frequency domain data and inverse conversion, and extracts frequency components for which the difference between the biological signal and the data after inverse conversion is smaller than a predetermined threshold. By making this selection, data processing that eliminates arbitrariness becomes possible.

続いて時系列データ処理装置10の効果を説明する。 Next, the effects of the time series data processing device 10 will be explained.

図5は、時系列データ、例えば脳波のデータの収束過程の例を示したグラフである。図5のグラフは、縦軸に二乗平均平方根(Root Mean Square;RMS)、すなわち数式(1)により求められるE(m)、横軸に自己無撞着場(Self-consistent Field)の計算のステップ数、すなわちmの値を示している。図5に示すように、mの値が増加するにつれてE(m)の値が減少していることがわかる。 FIG. 5 is a graph showing an example of a convergence process of time series data, for example, brain wave data. In the graph of FIG. 5, the vertical axis represents the root mean square (RMS), that is, E(m) obtained by formula (1), and the horizontal axis represents the step of calculating the self-consistent field. number, that is, the value of m. As shown in FIG. 5, it can be seen that as the value of m increases, the value of E(m) decreases.

図6は、時系列データの一例である脈波のデータの例を示す図である。時系列データ処理装置10は、mの値を変化させることで脈波のデータの選択範囲を変化させることができる。図6の例では、m=250となってE(m)<Cとなったとする。この場合では、大凡166Hz~250Hz、及び750~834Hzのデータを、実際の脈波のデータとして抽出することができる。 FIG. 6 is a diagram showing an example of pulse wave data, which is an example of time series data. The time series data processing device 10 can change the selection range of pulse wave data by changing the value of m. In the example of FIG. 6, it is assumed that m=250 and E(m)<C. In this case, data of approximately 166 Hz to 250 Hz and 750 to 834 Hz can be extracted as actual pulse wave data.

図7は、時系列データの一例である脳波のデータの例を示す図である。時系列データ処理装置10は、mの値を変化させることで脳波のデータの選択範囲を変化させることができる。図7の例では、m=250となってE(m)<Cとなったとする。この場合では、大凡166Hz~250Hz、及び750~834Hzのデータを、実際の脳波のデータとして抽出することができる。 FIG. 7 is a diagram showing an example of electroencephalogram data, which is an example of time-series data. The time series data processing device 10 can change the selection range of brain wave data by changing the value of m. In the example of FIG. 7, it is assumed that m=250 and E(m)<C. In this case, data of approximately 166 Hz to 250 Hz and 750 to 834 Hz can be extracted as actual brain wave data.

図8は、オリジナルの脈波のデータと、E(m)<Cとなったm=250の時点で採用された周波数成分を基に再構成した時系列データとを重ね合わせたグラフである。図8の「original」がオリジナルの脈波のデータであり、「smoothed」が再構成した時系列データである。このように、E(m)<Cとなった周波数成分を基に再構成した時系列データは、オリジナルの脈波のデータと近似しており、かつ、オリジナルの脈波のデータに重畳しているノイズ成分が除去されていることがわかる。 FIG. 8 is a graph in which the original pulse wave data and the time series data reconstructed based on the frequency component adopted at the time of m=250, where E(m)<C, are superimposed. "Original" in FIG. 8 is the original pulse wave data, and "smoothed" is the reconstructed time series data. In this way, the time series data reconstructed based on the frequency components where E(m)<C is similar to the original pulse wave data, and is superimposed on the original pulse wave data. It can be seen that the noise components present in the image have been removed.

図9は、オリジナルの脳波のデータと、E(m)<Cとなったm=250の時点で採用された周波数成分を基に再構成した時系列データとを重ね合わせたグラフである。図9の「original」がオリジナルの脳波のデータであり、「smoothed」が再構成した時系列データである。このように、E(m)<Cとなった周波数成分を基に再構成した時系列データは、オリジナルの脳波のデータと近似しており、かつ、オリジナルの脳波のデータに重畳しているノイズ成分が除去されていることがわかる。 FIG. 9 is a graph in which the original brain wave data and the time series data reconstructed based on the frequency component adopted at the time of m=250, where E(m)<C, are superimposed. "Original" in FIG. 9 is the original brain wave data, and "smoothed" is the reconstructed time series data. In this way, the time series data reconstructed based on the frequency components where E(m)<C is similar to the original brain wave data, and is free from noise superimposed on the original brain wave data. It can be seen that the components have been removed.

以上から、本実施形態に係る時系列データ処理装置10は、周波数領域で、対象とする周波数帯を明確に扱いつつ、時間領域での誤差を直接評価することによって、時系列因果分析などの前処理において、解析者の裁量によらず、安定したノイズ除去が可能となる。 From the above, the time series data processing device 10 according to the present embodiment clearly handles the target frequency band in the frequency domain and directly evaluates errors in the time domain, thereby preparatory to time series causal analysis, etc. In processing, stable noise removal is possible without depending on the discretion of the analyst.

なお、上記各実施形態でCPUがソフトウェア(プログラム)を読み込んで実行した時系列データ処理を、CPU以外の各種のプロセッサが実行してもよい。この場合のプロセッサとしては、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等の製造後に回路構成を変更可能なPLD(Programmable Logic Device)、及びASIC(Application Specific Integrated Circuit)等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が例示される。また、時系列データ処理を、これらの各種のプロセッサのうちの1つで実行してもよいし、同種又は異種の2つ以上のプロセッサの組み合わせ(例えば、複数のFPGA、及びCPUとFPGAとの組み合わせ等)で実行してもよい。また、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造は、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路である。 Note that the time series data processing that the CPU reads and executes the software (program) in each of the above embodiments may be executed by various processors other than the CPU. In this case, the processor includes a PLD (Programmable Logic Device) whose circuit configuration can be changed after manufacturing, such as an FPGA (Field-Programmable Gate Array), and an ASIC (Application Specific Integrated Cipher). rcuit) to execute specific processing such as An example is a dedicated electric circuit that is a processor having a specially designed circuit configuration. Furthermore, time-series data processing may be executed by one of these various processors, or by a combination of two or more processors of the same or different types (for example, multiple FPGAs, or a combination of a CPU and an FPGA). combinations etc.). Further, the hardware structure of these various processors is, more specifically, an electric circuit that is a combination of circuit elements such as semiconductor elements.

また、上記各実施形態では、時系列データ処理のプログラムがROMまたはストレージに予め記憶(インストール)されている態様を説明したが、これに限定されない。プログラムは、CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory)、DVD-ROM(Digital Versatile Disk Read Only Memory)、及びUSB(Universal Serial Bus)メモリ等の非一時的(non-transitory)記録媒体に記録された形態で提供されてもよい。また、プログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。 Further, in each of the above embodiments, a mode has been described in which a time-series data processing program is stored (installed) in the ROM or storage in advance, but the present invention is not limited to this. The program can be stored in non-temporary memory such as CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory), DVD-ROM (Digital Versatile Disk Read Only Memory), and USB (Universal Serial Bus) memory. (non-transitory) recorded on a recording medium It may be provided in the form of Further, the program may be downloaded from an external device via a network.

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的範囲はかかる例に限定されない。本発明の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これら各種の変更例または修正例についても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the embodiments of the present invention have been described above in detail with reference to the accompanying drawings, the technical scope of the present invention is not limited to such examples. It is clear that a person with ordinary knowledge in the technical field of the present invention can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea stated in the claims. It is understood that various changes or modifications naturally fall within the technical scope of the present invention.

1 生体信号測定装置
10 時系列データ処理装置
1 Biosignal measurement device 10 Time series data processing device

Claims (6)

時系列データを周波数ドメインのデータに変換する変換部と、
前記周波数ドメインのデータから所定の周波数成分を選択する選択部と、
前記選択部が選択した前記周波数成分を時間ドメインのデータに逆変換する逆変換部と、
を備え、
前記選択部は、前記時系列データと前記逆変換部による逆変換後のデータとの差が所定の閾値より小さくなる周波数成分を選択する、
時系列データ処理装置。
a conversion unit that converts time series data to frequency domain data;
a selection unit that selects a predetermined frequency component from the frequency domain data;
an inverse transformation unit that inversely transforms the frequency component selected by the selection unit into time domain data;
Equipped with
The selection unit selects a frequency component for which a difference between the time series data and data after inverse transformation by the inverse transformation unit is smaller than a predetermined threshold.
Time series data processing device.
前記選択部は、前記逆変換部による逆変換後のデータが自己無撞着となる周波数成分を選択する、請求項1に記載の時系列データ処理装置。 The time-series data processing device according to claim 1, wherein the selection unit selects a frequency component for which data after inverse transformation by the inverse transformation unit is self-consistent. 前記選択部は、第1の周波数成分の逆変換後のデータと、前記第1の周波数成分を含む第2の周波数成分の逆変換後のデータとの差が所定の閾値より小さくなった場合に、前記逆変換部による逆変換後のデータが自己無撞着となったと判断する、請求項2に記載の時系列データ処理装置。 The selection unit is configured to select, when the difference between the data after the inverse transformation of the first frequency component and the data after the inverse transformation of the second frequency component including the first frequency component becomes smaller than a predetermined threshold value. 3. The time-series data processing device according to claim 2, wherein the time-series data processing device determines that the data after inverse transformation by the inverse transformation unit has become self-consistent. 前記時系列データは、生体信号又は生体信号に基づく信号である、請求項1に記載の時系列データ処理装置。 The time-series data processing device according to claim 1, wherein the time-series data is a biological signal or a signal based on a biological signal. プロセッサが、
時系列データを周波数ドメインのデータに変換し、
前記周波数ドメインのデータから所定の周波数成分を選択し、
選択された前記周波数成分を時間ドメインのデータに逆変換し、
前記時系列データと逆変換後のデータとの差が所定の閾値より小さくなる周波数成分を選択する、
処理を実行する、時系列データ処理方法。
The processor
Convert time series data to frequency domain data,
selecting a predetermined frequency component from the frequency domain data;
inversely transforming the selected frequency components into time domain data;
selecting a frequency component for which a difference between the time series data and the data after inverse transformation is smaller than a predetermined threshold;
A time series data processing method that performs processing.
コンピュータに、
時系列データを周波数ドメインのデータに変換し、
前記周波数ドメインのデータから所定の周波数成分を選択し、
選択された前記周波数成分を時間ドメインのデータに逆変換し、
前記時系列データと逆変換後のデータとの差が所定の閾値より小さくなる周波数成分を選択する、
処理を実行させる、コンピュータプログラム。
to the computer,
Convert time series data to frequency domain data,
selecting a predetermined frequency component from the frequency domain data;
inversely transforming the selected frequency components into time domain data;
selecting a frequency component for which a difference between the time series data and the data after inverse transformation is smaller than a predetermined threshold;
A computer program that executes a process.
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