JP3982856B2 - Ｅｃｇペースパルスの検出と処理方法 - Google Patents

Ｅｃｇペースパルスの検出と処理方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は心電図（ＥＣＧ）信号の処理に関し、特にＥＣＧ信号に心臓ペースメーカからのアーティファクトが入っている場合における処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＥＣＧ信号を測定し処理する道具は保健看護の専門家にとって価値ある情報を提供する。心臓のポンプ機能は心臓内の電気化学的活動により制御されている。この電気化学的活動を電極（通常身体の表面に設置するが、電極を体内に入れ込むこともできる）で電気信号として検知することができる。これらの信号は心電図信号またはＥＣＧ信号と言われている。ＥＣＧ信号を分析すると血液を身体を通して汲み上げる心臓の能力に悪影響を及ぼす可能性のある心臓状態の多数の局面（たとえば、心臓の電気的活動の乱れ、または心室の拡大）を示すことができる。
【０００３】
重大な律動の乱れがある者のような或る患者の場合、心臓の収縮を刺激するのに電気装置が使用される。これら人工的「ペースメーカ」の電気的活動はＥＣＧ信号内でペースパルスと言われているアーティファクトとして現われる。ペースパルスは典型的に持続時間が短く（0.1から2.5ミリ秒）、高周波を含み、そのデューティサイクルは低い（250bpmのデュアルチャンバ・ペーシングに使用するとき、一般に240ミリ秒ごとに２パルス未満）。
【０００４】
ＥＣＧ信号内のペースパルスを識別することが望ましい。ペースパルスを識別する一つの理由はそれらをＥＣＧ信号から除去できるようになるからである。ＥＣＧ信号は振幅が小さく、多数の源（たとえば、電源線、他の電気装置、心臓以外の筋肉の電気的活動）からしばしば妨害を受ける。心臓の活動を示す信号の部分を分離しようとして、ＥＣＧ信号を濾波している。ペースパルスを（筋肉アーティファクトを減らすのにしばしば役立つように）ＥＣＧ信号に典型的に加えられるように低域濾波すると、ペースパルスを除去するよりもむしろペースパルスの幅をかなり広くしてしまう。ペースパルスを（基線のふらつきを減らすのにしばしば使用されるように）高域濾波すると、ペースパルスがすそをひいてしまう。これら変形ペースパルスはＱＲＳ複合信号（心臓の心室の収縮と関連するＥＣＧ波形の部分）として誤って認識されたりして、以後のＥＣＧ分析の信頼性を下げる。ペースパルスの検出を、「ペースパルスのすそを判別する方法(Method for Discriminating Pace Pulse Tails)」という名称の米国特許第5,033,473号に述べられているように、ＱＲＳ複合信号とペースパルスのすそとを区別する補助に使用することができる。「整調ＱＲＳ複合信号分類器（Paced QRS Complex Classifier）」という名称の米国特許第4,838,278号はペースパルス検出器からの情報をＥＣＧ処理に使用できる他の方法を記している。
【０００５】
ペースパルスを検出するのに下記のような多数の技法が使用されてきた。「ペースパルス信号調整回路(Pace Pulse Signal Conditioning Circuit)と題する米国特許第4,574,813号は特殊目的のアナログ回路を使用してペースパルスを検出し置き換える方法を述べている。「ペースパルス識別装置(Pace PulseIdentification Apparatus)」と題する米国特許第4,664,116号は高域濾波ＥＣＧ信号を可変閾値と比較する方法を述べている。「ペースパルス除去器(Pace Pulse Eliminator)」という名称の米国特許第4,832,041号は特殊目的のアナログ回路を基本とするペースパルス検出器とソフトウェア実施ペースパルス検出アルゴリズムとの組合せを使用する方法を記しており、このアルゴリズムはＥＣＧの勾配を推定し、これを検出したＱＲＳ複合信号に基づく勾配閾値と比較するものである。
【０００６】
【発明の目的】
本発明の目的はECG信号から精度よくペースパルスを検出すること、さらに検出したペースパルスを用いてECG信号からペースパルスを除去あるいは挿入をおこないECG信号の分析を効率化することにある。
【０００７】
【発明の概要】
本発明によれば、患者ＥＣＧ信号を測定してディジタル形態に変換する。ディジタル化の速度は、ＥＣＧ分析に典型的に使用されているものより高く、大部分のペースパルスを表すのに十分である。このディジタルＥＣＧ信号から、ＥＣＧ信号の勾配の推定値である信号を得る。勾配閾値を計算し、ＥＣＧ勾配信号の最近の履歴（一般に、検出しようとするペースパルス間の予想時間より短い）に基づき繰り返し更新する。したがって、閾値はＥＣＧノイズ環境に合わせて急速に調節される。勾配信号の大きさが互いに約３ミリ秒以内にある二つの点で閾値を超え、これら二つの点での勾配が反対極性のものであるときペースパルスが識別される。
【０００８】
検出後、一定のＥＣＧ濾波の前にペースパルスを除去し、そのような濾波に続いて再挿入する。再挿入の代わりとして、ペースパルスから測定したパラメータをＥＣＧデータと共に伝えることができる。ペースパルスを処理するこれらの技法は、正確なペースパルス情報を供給しながら、比較的少ない量のデータまたは帯域幅を使用してＥＣＧを送信し、記憶し、処理することができ、更に、ペースパルス再挿入の案は特に正確なペースパルス表現を行なう。
【０００９】
ペースパルス検出器が有する一つの課題は狭いＲ波（ＱＲＳ複合信号の中間にあるパルス）のトリガーを回避することである。２勾配検出および急速閾値適応という本発明の組合せは狭いＲ波を特に多く除去する。狭いＲ波は非常に険しい勾配を持つことがあるが、Ｒ波は一般に十分広いので、その第２の縁が検出される時刻まで、Ｒ波の最初の部分が勾配閾値の決定に関係してしまっていることになる。これは勾配閾値を大きくして第２の縁が閾値を超えないようにするらしく思われる。
【００１０】
従来の多数のシステムはペースパルス検出に専門のアナログ回路を使用している。対照的に、本発明によるシステムは主要ＥＣＧディジタル化信号経路にあるもの以外のアナログ構成要素を必要とせずにペースパルスを検出する。所要回路の量を減らす（これは費用の節約および大きさの減少を共に齎らすことができる）他に、この方法は、システムのペースパルス処理部を含めて、システムのソフトウェアを変えることにより（たとえば、アナログ回路に対する変更は一般にプログラムし直しまたはＲＯＭの交換より困難である）システムの品質向上を達成することができる。
【００１１】
更に、本発明によるペースパルス検出はＲ波検出情報を必要としない。したがって、ペースパルス検出に対する本発明の方法は（ペースパルス検出が遠隔測定ユニットで行なわれ、Ｒ波検出がＥＣＧ信号が中央ステーションに達するまで行なわれない遠隔測定システムでの場合のように）Ｒ波検出がペースパルス検出の行なわれる場所から分離されているシステムの部分で行なわれるシステムで特に役立つものである。
【００１２】
【発明の実施例】
本発明をＥＣＧ遠隔測定システムの属性の幾つかとベッドサイド監視システムの属性の幾つかとを組み合わせた柔軟な患者監視システムの文脈で詳細に説明する。
【００１３】
総合患者監視システム
総合患者監視システムは図１に図示されているが、携帯用モニタ102、中央監視ステーション112、および接続ステーション104を備えている。これら構成要素を携帯用モニタ102により測定されるもの以外のパラメータを測定する計器に接続することができ、他の患者関連機器（たとえば、換気装置）に接続することができる。
【００１４】
携帯用モニタ102は電池から電力を供給され、患者120が持ち運ぶことができるよう十分コンパクトである。電気導線が携帯用モニタ102を患者120のＥＣＧ電極に接続している。患者の別のパラメータを測定する回路を備えた携帯用測定装置108を携帯用モニタ102に接続することができる。代わりに、別の測定用回路を直接携帯用モニタ102に組み込むことができる。
【００１５】
中央監視ステーション112は保健衛生の専門家に多数の患者からのデータ（たとえば、ＥＣＧ信号）を見せる表示装置114を備えている。中央監視ステーション112は一つ以上の携帯用モニタ102から患者データを受け取る無線受信機110（典型的にはＲＦであるが、他の無線技術を使用することができる）に接続されている。
【００１６】
接続ステーション104は患者のベッドサイドに据えられている。それは電源におよび患者のベッドサイドに設置された他の機器106（たとえば、患者120から別の測定を行なう計器または換気装置または注入ポンプのような機器）に接続されている。患者120がベッドにあるときは、携帯用モニタ102を接続ステーション104に接続することができる。接続されると、接続ステーション104は電力を携帯用モニタ102に供給することができ、それとデータを交換することができる。
【００１７】
データは電極（および携帯用モニタ102に接続されている他のセンサ）から携帯用モニタ102に流れ、次に無線接続により携帯用モニタ102から中央ステーションに流れる。ベッドサイドからのデータは患者120からその機器に、接続ステーション104に、携帯用モニタ102に、および次に中央ステーションに流れる。他に、情報は逆方向に流れる（たとえば、中央ステーションに居る誰かに機器のどれかを調節することができるようにする）。
【００１８】
表示装置118を備え且つ計算能力のある（手持ちコンピュータのような）小型装置116を携帯用モニタ102に接続してＥＣＧ信号および他のデータの表示を与え、携帯用モニタ102とやりとりするためのユーザ・インターフェースを高度化する（それを構成し、調節を行なうというような）ことができる。同様に、このような小型装置116を接続ステーション104に接続することができる。
【００１９】
他に、監視システムは通常のベッドサイド・モニタを備えることができる。ベッドサイド・モニタを接続ステーション104に接続（してデータを中央ステーションへのＲＦ送信のため携帯用モニタ102に送る）することができ、および／または通常の配線により接続して携帯用モニタ102からのデータを含むデータを中央ステーションに送ることができる。
【００２０】
システムの間の各種接続は直接電気接続を経由することができ、または（たとえば、赤外線またはＲＦを使用して）無線通信リンクを経由することができる。
【００２１】
携帯用モニタ
携帯用モニタ102の回路の組織は図２に図解されており、数個の直列ポート212、214、216、ＲＦ送信機218、電力制御回路226、５個の指示灯220、ナースコール・ボタン222、リードセット・センサ224、およびＥＣＧフロントエンド回路210を備えている。ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）チップ202は多様な機能を行なうゲートアレイ・チップ208を経由してそれらに接続されている。
【００２２】
ＤＳＰ202（たとえば、モトローラのＤＳＰ56007）は直列ポートを通してＥＥＰＲＯＭから直接ブートすることができ,アップグレードも容易である。ＤＳＰチップ自身にあるメモリの他に、8Ｋｘ8ビット直列ＥＥＰＲＯＭ204および32Ｋｘ8ビットＳＲＡＭ206が使える。ＥＥＰＲＯＭ204はユニット独自の識別子、患者情報、およびＤＳＰパッチコード（ＥＥＰＲＯＭをプログラムし直すことによりＤＳＰのプログラム動作を向上させることができる）を格納する。
【００２３】
直列ポート212、214、216は直接電気接続212、214の他に他の装置との無線接続（たとえば、赤外光により）216をも行なう。携帯用モニタ102により測定されるパラメータは直列ポート212をＳpＯ2を測定する場合のような携帯用測定フロントエンドに接続することにより拡張することができる。
携帯用モニタ102はベッドサイド・モニタまたは他の孤立計器106のような比較的不変の機器に接続することもできる。その他、携帯用モニタ102と相互作用するユーザ・インターフェースを高度化することができ且つ携帯用モニタ102により測定された信号を表示することができる手持ち型コンピュータ116のような装置に携帯用モニタ102を接続することができる。
ＩＲポート216は携帯用モニタ102に一時的に接続する簡易な方法を得るのに特に適している。
最後に、直列ポート214は接続ステーション104への接続を行なうことができ、これにより他の機器への接続が行なわれる。これらのポートは信号を携帯用モニタ102から他の機器に送る手段となり、またそれらポートは信号を他の機器から受信する手段となり、この場合携帯用モニタ102のＲＦ送信機 218は携帯用モニタ自身により測定された信号の他に測定パラメータを（受信機110に、次いで中央ステーション112に）送るのに使用することができる。
【００２４】
５個の指示灯220（ＬＥＤ）はＤＳＰ202により点灯および消灯されることができるようにゲートアレイ208に接続されている。これら指示灯を導線外れの情報を与えるのに使用することができる。加えて、それらをＲ波検出およびペースパルス検出を示すのに使用することができる。
【００２５】
ナースコール・ボタン222をＤＳＰ202によりゲートアレイ208を経由して読み取ることができる。
【００２６】
携帯用モニタ102のリードセット・コネクタには多数のスイッチ224がある。リードセット形式が異なるとコネクタ内のスイッチは異なる組合せで閉成する。これらスイッチ224はゲートアレイ208に接続され、ＤＳＰ202にそのＥＣＧ処理を使用されるリードセットの形式（たとえば、３個、４個、または５個の電極）に従って自動的に構成させる。
【００２７】
電力保存を容易にするには、携帯用モニタ102の各種部品への電力を制御するスイッチ226をゲートアレイ208に接続する。たとえば、使用しないときは、ＲＦ回路218の供給電力を遮断することができる。
【００２８】
ゲートアレイ208、ＥＣＧフロントエンド210、およびＤＳＰ202を下に更に詳細に説明する。
【００２９】
ゲートアレイ
図３に示したように、ゲートアレイ208はクロック信号発生302、監視タイマ308、３個のパルス幅変調DAC306、ＥＣＧ Ａ/Ｄ変換器用の４個のカウンタ304、デルタ変調器312、合成器を制御するインターフェース314、３個のＵＡＲＴ316、およびＤＳＰ202とのインターフェース318を含む多様な機能を行なう回路を備えている。他に、ゲートアレイ208はその他の制御回路310を備えている。
【００３０】
合成器インターフェース314は、たとえば、モトローラＭＣ145192合成器チップを使用するＲＦ送信機218の制御を支援する。デルタ変調器312はＲＦ送信に適切な直列データ流を生成するのに使用される。
【００３１】
監視タイマ308はＤＳＰが或る期間にわたりゲートアレイと正しく通信しないときゲートアレイ208がＤＳＰ202をリセットするように設けられている。
【００３２】
ゲートアレイ208には４個のＥＣＧ測定チャンネルの各々について下記信号を供給する回路がある。右脚駆動信号をそのチャンネルの電極に（校正のため）接続できるようにするスイッチ制御信号（スイッチ制御Ａ）、パルス幅変調低周波フィードバック信号、高周波フィードバック信号。右脚駆動用に別に４個の信号がある。一つは校正信号を右脚駆動回路に接続する信号（校正スイッチ制御）、および３個は使用すべき測定チャンネルを選択して入力加算を行い、右脚駆動信号を作る信号（スイッチ制御Ｂ）である。
【００３３】
ゲートアレイ208はＡ/Ｄ比較器の出力が各8ＫＨzのクロック・サイクルについて高いとき6.4ＭＨzクロック・サイクルの数を数える。（下に説明する、ＥＣＧフロントエンドからの）比較器出力は6.4ＭＨzクロックの上昇縁にラッチされ、他の縁で数えられる。このラッチ信号は高周波フィードバックおよび低周波フィードバックの双方に対するフィードバック信号として出力される。高周波フィードバック信号は4ＫＨzの変換速度で（変換値は０から1600の範囲にある）11ビットＡ/Ｄを行なう。低周波フィードバックの帯域幅は222Ｈzであり、開ループゲインは33.6である。
【００３４】
パルス幅変調器ＤＡＣ306はＥＣＧ測定を校正するのに使用される。一つのＤＡＣはＲＡ測定チャンネルに使用され、一つはＬＡ測定チャンネルに使用され、第３のＤＡＣはＬＬおよびＶの両測定チャンネルに使用される。これらＤＡＣの数はゲートアレイ上で利用できる空間により主として決まる。校正は一度に一つのチャンネルで行なうことができるから、単一ＤＡＣを使用することができる。
【００３５】
ＥＣＧ測定を校正するためゲートアレイ208は二つの別々の機能を行なう。両者について、４個の右脚駆動スイッチはすべて閉じている。最初低周波フィードバック信号をラッチされているＡ/Ｄ出力から切り離し、ＤＡＣ306の一つからのパルス幅変調信号に接続する。このパルス幅変調信号は既知ステップ関数を6.6Ｈzの低域フィルタに加えて開ループゲインおよび折点周波数の双方を校正する。第２の校正機能は校正信号を右脚駆動積分器で加算することである。これにより４個のチャンネルすべてにステップ電圧が生ずる。このステップ変化で、すべてのチャンネルのゲイン差を補正することができる。
【００３６】
ＥＣＧフロントエンド
図４に示したように、携帯用モニタ102はＥＣＧ電極（ＲＬ）の一つに接続するための右脚駆動信号を発生する回路および他の４個の電極（ＲＡ、ＬＡ、ＬＬ、およびＶ）に接続するための入力回路を備えている。
【００３７】
右脚駆動回路はＥＣＧ入力の一つ乃至三つを加算してＥＣＧ電極に接続される一つの出力を発生する。他に、スイッチング回路が設けられていて、右脚駆動信号を４個の入力電極のどれかに接続させる。右脚駆動信号はＥＣＧフロントエンドの共通モード除去性能を改善するのに使用される。右脚駆動増幅器の大地基準電圧を校正電圧に切り替え、４個のすべてのＥＣＧ測定チャンネルへの入力に接続することができる。すべてのチャンネルに加えられる校正信号を測定することにより、４個のすべてのＡ/Ｄチャンネルのゲイン差をソフトウェアで補正することができる。この校正は、臨床的に、ＥＣＧ測定値をその各々が一つの電極における信号と一つ以上の他の電極における信号との差から成る「リード」により分析するので重要である。校正は所要ＥＣＧ信号の大きさに比較して大きい可能性のある共通モード信号を除去するこの差動動作の能力を高める。
【００３８】
４個の入力電極の各々に対する入力回路はゲートアレイ208により動作して４個のアナログ入力の各々を毎秒4000サンプルのデータ速度および16マイクロボルトの最下位ビット（ＬＳＢ）分解能でディジタル信号に変換する。500Ｈzのデータ速度に減らしてから、積分Ａ/Ｄの隣接サンプルが相関しているという事実のためＬＳＢ分解能が２マイクロボルトになる。図４を参照すると、４個のＡ/Ｄ変換器の各々がＡ/Ｄ出力信号をゲートアレイ208に送り、ゲートアレイ208は入力回路により使用される信号、すなわち校正信号、不変８ＫＨz50％デューティ・サイクル方形波、４個の入力チャンネルの各々に対する低周波（LF）フィードバック信号、および４個の入力チャンネルの各々に対する高周波（HF）フィードバック信号を発生する。
【００３９】
４個の入力電極の各々に対する入力回路は、入力保護、3ＫＨz低域フィルタ、100Ｍ抵抗器を通る25ｎＡのリードオフ電流源、を備えている。これに続いてゲインが３で出力範囲が0.77乃至3.23ボルトの入力バッファー増幅器である第１段がある。入力バッファー増幅器には、8ＫＨzの1.5ｍＶppのリップルを含む低周波フィードバック信号を加算する加算接合が付随しており、その信号はそのとき16倍だけ増幅される。最後に信号はフィードバック信号の8ＫＨzリップルに対するヌル応答を有するパルス幅変調シグマ・デルタＡ/Ｄで11ビットのディジタル語に変換される。Ａ/Ｄのラッチされた比較器出力はゲイン段およびＡ/Ｄの周りにループを閉じる低周波フィードバック信号である。これは、最終ディジタル化信号が、6.6Ｈzに零をもち222Ｈz（6.6Ｈz×開ループゲイン33.6）に極を有する低周波フィードバックにより設定されるＤＣゲインを有することを意味する。ＤＳＰがこの応答を補償することができるためには二つの値を測定するだけでよい。6.6Ｈzの極および開ループゲインは共に、ループを開き、単一ステップ入力を与え、出力でステップ応答を計算することにより測定される。最終的に、ダイナミックレンジがＤＣから6.6Ｈzまで±0.41ボルトで、222Ｈzで12.8ｍＶに減少するＡ/Ｄが得られる。
【００４０】
低周波フィードバック加算増幅器は低周波フィードバック信号を入力バッファー増幅器からの信号と加算し、約34のゲインを与える（加算接合には約２という因子のゲインがあるが、オペアンプそれ自身は約16のゲインを与え、全ゲインが約34になる）。ゲートアレイ208は＋1.235ボルトと−1.235ボルトとの間で切り替わ8ＫＨz方形波をパルス幅変調することにより低周波フィードバック信号を発生する。パルス幅の分解能は6.4ＭＨzのクロックにより設定され、3ｍＶ（入力バッファー増幅器への入力を基準とするときは１ｍＶ）のステップ・サイズを生ずる。低周波フィードバック信号はＡ/Ｄ変換器の１ビットの比較器出力から直接得られる。
低周波フィードバック信号は加算増幅器の入力に到達する前に6.6Ｈzに極のある低域フィルタを通過する。このフィードバック信号のループゲインは約34である。閉ループ帯域幅はしたがって222Ｈzである。このフィードバック信号はゲートアレイ208を通してディジタル的に接続されているので、ループを開くことができ、パルス幅変調信号の既知の組合せを加えて開ループゲインおよび6.6Ｈzの極の時定数を測定することができる。Ａ/Ｄ変換器のゲイン精度は電圧およびタイミングを含む、低周波フィードバック信号の精度により設定される。
【００４１】
入力回路の最終段をパルス幅変調シグマ・デルタＡ/Ｄ変換器と言うことができる。その出力が比較器を駆動する積分オペアンプの反転入力に共に加算される三つの信号が存在する。第１の信号はディジタル化さるべき信号（低周波フィードバック信号が加えられている最初の入力）である。第２の信号は比較器出力から得られる高周波フィードバック信号である。第３の信号は不変8ＫＨz50％デューティ・サイクル方形波である。第３の信号を無視すると、この回路は単純なシグマ・デルタＡ/Ｄ変換器になる。
比較器は変換速度が6.4ＭＨzの１ビットＡ/Ｄとして振る舞う。この１ビットＡ/Ｄ値を積分オペアンプの入力へのフィードバック信号（高周波フィードバック）として使用し、時間にわたり平均が入力信号に等しくなければならないようにする。理想的比較器を仮定すると、比較器出力は6.4ＭＨzのクロック速度程の高い割合でトグルすることができる。8ＫＨzの不変方形波をフィードバック信号振幅を２倍して加算接合に加えることにより比較器は8ｋＨzのクロック・サイクルの１周期中２回だけ状態を変える。これは比較器の所要速度および所要精度をかなり低くし、Ａ/Ｄ変換器の応答時間をも短くする。Ａ/Ｄ値は、比較器出力が１であるとき6.4ＭＨzクロック・サイクルの数を数えることにより簡単に決定される。この計数はゲートアレイ208にあるカウンタにより行なわれる。
高周波フィードバック信号の加算は入力信号に対するものの半分（および不変8ＫＨz信号に対するものの半分）であるから、この最終段のゲインは２である。フィードバック信号の範囲を±1.235Ｖとして、入力範囲は入力を基準として±12.8ｍＶである。
【００４２】
Ａ/Ｄ変換器の時定数は8ＫＨzクロックの周期の半分すなわち62.5マイクロ秒である。これは2.5ＫＨzの単極低域フィルタに翻訳される。8ＫＨzの周期に亘るデータの平均はＡ/Ｄ値を決定するから、8ＫＨzおよび8ＫＨzの各調波でＡ/Ｄの周波数応答に零が存在する。数学的記述はsin(π*8ＫＨz/f)/(π*8ＫＨz/f)である。これは優れたアンチ・エーリアス除去能力を助長する。たとえば、ＥＣＧデータに125Ｈz低域フィルタを用いて、8ＫＨzから遠い信号125Ｈzを125/8000＝36dＢだけ除去する。次に、入力における3ＫＨz低域フィルタおよび8ＫＨzＡ/Ｄ変換器により作られた2.5ＫＨz低域フィルタによる減衰を加えると、アンチ・エーリアス除去は55dＢとなる。
【００４３】
ＤＳＰによる信号処理
一旦ＥＣＧ信号がディジタル形式に変換されると、続く携帯用モニタ102による処理がＥＣＧ信号のディジタル形式に関して行なわれる。
図５を参照すると、ＤＳＰ202は（ゲートアレイ208から）４個のＡ/Ｄ変換器からのデータを読む（５０２）が、これら四つの信号の各々の各サンプルは16ビットの一語に格納されている。これら四つの信号は各々その校正乗数を乗ぜられ、低周波フィードバックの測定極ゼロ応答について補正される（５０４）。他に、32ミリ秒ごとに１回これら信号は評価され、どれかがリードのオフ状態にあるか確認される（５０６）。臨床「リード」II、III、およびＭＣＬの各々を表す信号は４個の測定電極からの信号を組み合わせることにより発生される（508、510）。これら三つのリード信号の各々は次に、図６に更に詳細に示してあるように、処理される（508、512）。
【００４４】
図６を参照して、各リード信号は、送信、表示、および／または他の処理のため調節するのに発行される。更に他の低域濾波する（604、606）前に、ペースパルス検出に使用される（602）（図７に関連して以下に更に詳細に説明してある）。
【００４５】
二つの段604、606（各々有限インパルス応答と1/2に間引く）において、毎秒4000サンプルの流れが毎秒1000サンプルの流れに減らされる。
【００４６】
ペースパルスが検出されると（608）、ＥＣＧ信号のペースパルス関連処理が下に説明するように行なわれる（610、612、614、624、626）。
【００４７】
例示実施例では、携帯用モニタ102はデータをＩＲポート216を介して送ることができ、またデータを二つの通信規約のいずれかを使用してＲＦ送信機218を通して送ることができる。こうして、幾つかの信号処理シーケンス（618、620、622）の一つを毎秒1000サンプルの信号を更に処理するために選択する（616）。この処理618、620、622には更に他の低域濾波および間引き（たとえば、毎秒250サンプルで40Ｈzに、毎秒500サンプルで125Ｈz、または毎秒400サンプルで100Ｈzに）、随意選択の線路周波数ノッチフィルタ（たとえば、50Ｈzまたは60Ｈz）、およびデータをＥＣＧ監視システムの他の部分にまたは他の装置に送るのに使用される通信プロトコルに従う処理がある。
【００４８】
ペースパルス
ペースパルスは持続時間が短く（0.1乃至2.5ミリ秒）、高い周波数（ハードウェア・ベースのペースパルス検出に2kHz帯域濾波を使用することができる）を含み、そのデューティサイクルは低い（たとえば、毎分250心搏のデュアルチャンバ・ペーシングで240ミリ秒ごとにわずか２パルス）。このデータを処理する最も良い場所はサンプル速度が減少したり低域または高域の濾波が行なわれる前の、できる限りＥＣＧフロントエンドに近いところである。低域濾波はペースパルスを幅広くする可能性があり、高域濾波はペースパルスに続くすそを作る可能性がある。これはペースパルスを更にＲ波らしく見せ、このような変化は不整脈を検出する自動信号検出を妨害する可能性がある。
【００４９】
例示実施例はＥＣＧ信号の高速データ表現を使用してペースパルスを検出している（4ＫＨzのサンプル速度）。例示実施例は次に、データが以後の処理のため低いサンプル速度まで減少されるときペースパルスを処理する二つの方法を提供する。（１）検出ペースパルスを濾波前にＥＣＧ信号から除去し、そのような濾波の後で再挿入する、（２）検出ペースパルスを測定し、ＥＣＧ信号から除去し、次に測定したペースパルス・パラメータを以後の処理に使用することができる。ペースパルスを測定するこれらの手法はＥＣＧを送信し、格納し、比較的少ない量のデータまたは帯域幅を使用して処理できるようにしながら、ペースパルスの正確な表現を与える。
【００５０】
ペースパルス検出
この例示実施例は振幅が0.5ｍＶから700ｍＶおよび幅が0.5ミリ秒乃至2.5ミリ秒のパルスを検出するという目標で設計されている。幅が0.1ミリ秒乃至0.5ミリ秒のペースパルスを検出するのが望ましいが、この例示実施例では、狭いパルスを検出するときの振幅は幅0.1ミリ秒では２ｍＶに劣化することもありうる。
【００５１】
例示実施例の他の目標はペースパルスでない信号の誤った検出を除去することである。誤り検出の可能な原因はホワイトノイズ、筋肉アーティファクト、非常に狭いＲ波、50/60Ｈz線路周波数のような高速パルス、または25Ｈzより大きい速度の周期波形である。
【００５２】
最も簡単に言えば、このペースパルス検出器は、一定の時間窓内で生じ、その振幅が当該縁（エッジ）の最後の64ミリ秒間でのピーク値の３倍より大きい正および負の縁を探す。時間窓は検出すべきペースパルスの予想幅より長く設定されるが、窓は任意に大きく設定できるが、検出器がＲ波または他のパルスでトリガされるようになる。この例示実施例では、正および負の縁は3ミリ秒の時間窓の中で発生しなければならない。
【００５３】
図７はペースパルス検出に重点を置いたＤＳＰ202の信号処理の部分を示す。この処理は各毎秒4000サンプル「リード」（たとえば、II、III、またはＭＣＬ）で行なわれ、その各々は以下の説明ではx[t]と言う。各リードについて、図７に示す処理は16サンプルごとに繰り返される。したがって、図７の処理が行なわれる各時刻、「t」は前の時間より16サンプル（4ミリ秒）大きくなる。
【００５４】
ＤＳＰ202はx[t]の勾配の推定値である信号を発生する。この勾配信号をy[t]ということにする。例示実施例に使用している特定の勾配推定値は処理されている16サンプルの各々についてy[n]＝(x[n]+x[n-1])-(x[n-2]+x[n-3])を計算する（ブロック７０４）ことにより作られる。
【００５５】
ＤＳＰ202はy[t]の最も最近の32個の値（y[t]からy[t-31]）をバッファに格納する。y[t]の最も最近の32個の値（y[t]からy[t-31]）をバッファに保持することにより、ペースパルス検出のy[t]および他のステップの更新を、単一サンプルについて0.25ミリ秒ごとに１回処理を行なうのではなく、4ミリ秒ごとに１回16サンプルのブロックで行なうことができる。
【００５６】
ＤＳＰ202は勾配絶対値ピークの64ミリ秒の履歴をも保持している（ブロック718）。格納効率については、この勾配ピーク履歴は16勾配絶対値ピーク値の円形バツファとして維持され、これらの各々が4ミリ秒間隔に対する勾配絶対値ピークである。したがって、この勾配絶対値ピークバッファは64ミリ秒の履歴を与えるが、4ミリ秒ごとにしか更新されない履歴である。（これは勾配信号自身の最も最近の4ミリ秒を格納するものとは異なるバッファである。）
【００５７】
ＤＳＰ202は勾配絶対値ピークバッファを使用して、（4ミリ秒ブロックの各々の）それら16ピークの最大値を識別し、その値の３倍を計算し、格納することにより、勾配閾値Tを決定する（ブロック720）。これにより現在の閾値がＥＣＧ信号の4ミリ秒の処理で維持される。ＥＣＧデータの4ミリ秒を処理してから、その4ミリ秒ブロックに対する勾配絶対値ピークを決定し（ブロック718）、勾配絶対値ピークバッファに格納し、ＥＣＧデータの次の4ミリ秒ブロックの閾値を計算し、格納する（ブロック720）。（このＥＣＧ処理を開始すると、実際の信号に対応しない幾つかの初期値がバッファに存在するが、処理が一旦進行すると、履歴データおよび閾値がサンプロルの前のブロックの処理に基づいて設定されていることになる。）
【００５８】
勾配信号、y[t]、はペースパルスを探すよう次のように処理される。n=(t-28)乃至n=(t-13)に対する各y[n]について（ブロツク706）、y[n]の大きさ（換言すれば、絶対値）が現在の勾配閾値より大きければ（ブロック708）、y[n]は候補ペースパルス縁である。候補ペースパルス縁がつきとめられると、勾配信号の第２の縁を探す。m=(n+1)からm=(n+12)に対する（ブロック710）勾配信号y[m]の第２の縁を探す（ブロック712および714）。第２の縁の勾配は現在の勾配閾値より大きくなければならず（ブロック712）、第２の縁の極性は候補縁の極性とは反対でなければならない（ブロック714）。適切な第２の縁がつきとめられれば、ペースパルスが検出される（ブロック716）。
【００５９】
下記は16サンプルのブロックで行なわれるペースパルスを検出するＥＣＧ信号の処理の疑似コードの概要である。（t=現在の時間であり、tは各リードについてこの処理が行なわれるたびに16だけ増加する。）
For n=(t-15) through t
y[n]=(x[n]+x[n-1])-(x[n-2]+x[n-3])
EndFor n
For n=(t-28) through (t-13)
If |y(n)| > Threshold
For m=(n+1) through (n+12)
If |y[m]| > T
If y[m]*y[n] < 0
Pace Pulse detected
Stop looping over n
EndIf
EndIf
EndFor m
EndIf
EndFor n
Store largest in PeakBuffer [current]
For n=0 through 15
Find largest PeakBuffer [n]
EndFor n
Store 3*largest in Threshold
【００６０】
このペースパルス検出処理は１サンプルづつ順に行なうことができ、または16サンプル以外の処理ブロックに分解することもできる。
【００６１】
ペースパルス処理
ペースパルスを検出すると608、ペースパルスのピーク値とペースパルスの直前の信号データの2ミリ秒の平均との差を取ることによりペースパルスの振幅を測定する610。再分極パルスが存在すれば、主パルスおよび再分極パルス双方の振幅を計算するのが望ましい。その面積のような、ペースパルスの他のパラメータも測定することができる。このようなパラメータは時間マーカと共に以後のＥＣＧ処理、分析、および／または表示に使用すべきデータと共に伝えることができる。他に、ペースパルス検出を指示灯220を瞬間点灯することにより 示すことができる。
【００６２】
ペースパルスをＥＣＧ信号から除去しようとする場合612には、その除去を4ＫＨzデータに関して行なう614。除去は信号の12ミリ秒を置き換える（ペースパルスの直前から始めて）ことにより行なわれる。この期間はペースパルス直前の信号の2ミリ秒の平均である平らな信号レベルで置き換えられる。
【００６３】
或る種のペースメーカからのペースパルスは長い再分極すそを備えている。このような長いペースパルスを除去するのに常に十分長い期間除去するのではなく、例示実施例は不変の12ミリ秒除去で開始し、その期間を延長すべき一定の条件を次のように検出する。ペースパルスを検出すると、現在の閾値を「遅延閾値」と言われている場所に格納する。ペースパルス除去期間中に、遅延閾値を超える勾配が検出されれば、この検出勾配後12ミリ秒続くように除去期間を延長する。また、このような勾配が検出されれば、そのとき遅延閾値をを更新する−換言すればそのときの現在の閾値を再び遅延閾値に格納する。この方法は検出される一定のペースパルス再分極波を生ずる。この場合には、除去期間を再分極波が除去されるように延長する。「遅延閾値」は、除去期間中現在となる閾値が主ペースパルス自身に含まれるデータに基づいており、したがって、再分極波を検出するには高すぎる（主ペースパルスの最大勾配の３倍）ので、使用される。何かが遅延閾値を超えるとき遅延閾値を更新すると、下記の望ましくない状況の発生が防止される。検出器が最初高周波ノイズの期間中にトリガすれば、除去期間はノイズが終わるまで延長し続ける。
【００６４】
ペースパルスが除去されたＥＣＧ信号が濾波されると618、620、または622、ペースパルスを濾波済みデータに再挿入するのが望ましい、624。ペースパルスを除去すると、除去データの表現が以下のように保存される。信号が１ＫＨz信号（ペースパルスの無い4ＫＨz信号から濾過された）とペースパルスを含んでいる4ＫＨz信号との差である除去データの期間だけ作られ、除去ペースパルスを表すこの4ＫＨzのデータは共により低いデータ速度のサンプルに対応する4ＫＨzサンプルに加えることによりフィルタ経路618、620、または622の低いデータ速度に減速される（平均化ではなく、代わりにピーク摘み取りを使用することができる）。ペースパルスはこのデータをフィルタ経路618、620、または622から生ずるＥＣＧ信号に加えることにより再挿入される。代わりに、標準ペースパルスを再挿入することができ、または実際のペースパルスの測定に基づき再構成されたペースパルスを再挿入することができる。
【００６５】
これまで本発明の特定の実施例を説明してきた。当業者には別の変形案が明らかであろう。たとえば、本発明を特定の患者監視システムの文脈で説明してきたが、本発明は（中央ステーションに接続されていない孤立ベッドサイド・モニタを含む）他の形式の患者監視システムに使用することができる。更に、本発明を診断用心電図またはホルタ監視システムのようなＥＣＧ信号を処理する他のシステムに採用することができる。ペースパルス除去に他の技法をも使用することができる。たとえば、ペースパルスの領域を領域の端点の間を線形補間することにより置き換えることができる。推定をペースパルスの形状から行なうことができ、この推定パルスをＥＣＧ信号から差し引くことができる。したがって、本発明はこの明細書に図示かつ説明した特定の細目および図解例に限定されない。むしろ、このようなすべての変形例および修正案を本発明の真の精神および範囲に入るものとして包含するのが付記した特許請求の範囲の目的である。以下に本発明の実施態様のいくつかを列挙する。
【００６６】
（実施態様１）：
ＥＣＧ信号内にあるペースパルスを検出する装置（202、208、210 ）であって、
（Ａ）前記ＥＣＧ信号を処理し、前記ＥＣＧ信号の勾配の推定値である勾配信号を作る手段（702、704）、
（Ｂ）検出すべきペースパルス間の時間より少ない時間間隔に亘り前記勾配信号を分析することにより決定される勾配閾値を繰り返し決定して更新する手段（720）、
（Ｃ）前記勾配信号の大きさが前記閾値を超えることを検出する手段（708）と、
（Ｄ）前記閾値を超えていると識別された正の勾配が前記閾値を超えていると識別された負の勾配の特定の時間内にあることを検出する手段（710、712、714、716）であり、前記特定の時間は検出すべきペースパルスの予想幅に基づくものである手段、
を備えている装置。
【００６７】
（実施態様２）：
患者からのＥＣＧ信号を分析して、前記患者の心臓の人工ペーシングから生ずる前記ＥＣＧ信号内のアーティファクトを識別する方法において、
（Ａ）前記ＥＣＧ信号を処理し、前記ＥＣＧ信号の勾配の推定値である勾配信号を作るステップ（702、704）、
（Ｂ）前記勾配信号の大きさが閾値を超えることを決定するステップ（708）、
（Ｃ）前記閾値を超えていると識別された正の勾配が前記閾値を超えていると識別された負の勾配の特定の時間内にあることを検出するステップ（710、712、714、716）であり、前記特定の時間は検出すべきペースパルスの予想幅に基づくものであるステップ、
（Ｄ）検出すべきペースパルス間の時間より少ない期間に亘り前記勾配信号を分析することにより決定される前記勾配閾値を更新するステップ（720）、
を備えている方法。
【００６８】
（実施態様３）：
（Ａ）ＥＣＧ信号を処理し、前記ＥＣＧ信号の勾配の推定値である勾配信号を作るステップ（702、704）、
（Ｂ）前記勾配信号の大きさが閾値を超えることを決定するステップ（708）、
（Ｃ）前記閾値を超えていると識別された正の勾配が前記閾値を超えていると識別された負の勾配の特定の時間内にあることを検出するステップ（710、712、714、716）であり、前記特定の時間は検出すべきペースパルスの予想幅に基づくものであるステップ、
（Ｄ）検出すべきペースパルス間の時間より少ない期間に亘り勾配信号を分析することにより決定される前記勾配閾値を更新するステップ（720）、
に従ってコンピュータにＥＣＧ信号を分析させるのに使用し得るように構成されたコンピュータ読取り可能のメモリ。
【００６９】
（実施態様４）：
患者監視装置であって、
（Ａ）電極に接続して患者からのアナログＥＣＧ信号を測定し、そのアナログＥＣＧ信号をディジタルＥＣＧ信号に変換するＥＣＧフロントエンド、
（Ｂ）ペースパルス検出器であって、
前記ディジタルＥＣＧ信号を処理し、前記ＥＣＧ信号の勾配の推定値である勾配信号を作る手段（702、704）、
検出すべきペースパルス間の時間より少ない期間に亘り前記勾配信号を分析することにより決定される勾配閾値を繰り返し決定して更新する手段（720）、
前記勾配信号の大きさが前記閾値を超えることを検出する手段（708）、
前記閾値を超えていると識別された正の勾配が前記閾値を超えていると識別された負の勾配の特定の時間内にあることを検出する手段（710、712、714、716）であり、前記特定の時間は検出すべきペースパルスの予想幅に基づくものである手段、
を有するペースパルス検出器、
を備えている患者監視装置。
【００７０】
（実施態様５）：
前記閾値は分析する時間間隔における勾配のピーク値の約３倍である実施態様１または４に記載の装置。
（実施態様６）：
前記特定の時間は約３ミリ秒である実施態様１または４に記載の装置。
（実施態様７）：
更に、検出されたペースパルスを有する信号の一部が実質上修正されている修正ＥＣＧ信号を作る手段（614）を備えている実施態様１または４に記載の装置。
【００７１】
（実施態様８）：
修正ＥＣＧ信号を作る前記手段は、
（１）初期閾値を記憶し、
（２）ＥＣＧデータを所定の置き換え期間置き換え、
（３）前記置き換え期間中、前記閾値を超える勾配を探索し、このような勾配が検出されれば、前記置き換え期間を延長し、前記初期閾値を新しい値で置き換える、
実施態様７に記載の装置。
（実施態様９）：
修正ＥＣＧ信号を作る前記手段は、
（１）ペースパルスが既に実質上除去されている修正ＥＣＧ信号を作り、
（２）前記修正ＥＣＧ信号を濾過し、
（３）ペースパルスデータを前記修正ＥＣＧ信号に再挿入する、
実施態様７に記載の装置。
（実施態様１０）：
前記ＥＣＧフロントエンドおよび前記ペースパルス検出装置はＥＣＧデータを送信する無線通信送信機を備えている患者支持装置に埋め込まれている実施態様１または４に記載の装置。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＥＣＧ監視システムの全体ブロック図である。
【図２】 本発明が実施されているＥＣＧ監視システムの携帯用モニタ構成要素のブロック図である。
【図３】 携帯用モニタのゲートアレイの機能組織のブロック図である。
【図４】 携帯用モニタのＥＣＧフロントエンドのブロック図である。
【図５】 全ＥＣＧ信号処理を示す流れ図である。
【図６】 各ＥＣＧリードについて行なわれる信号処理を示す流れ図である。
【図７】 ペースパルス検出のステップの詳細を示す流れ図である。
【符号の説明】
102…携帯用モニタ
104…接続ステーション
120…患者
202…ディジタル信号プロセツサ
204…コンピュータ読取り可能メモリ
208…Ａ/Ｄ変換器
210…Ａ/Ｄ変換器

Claims (10)

  1. ＥＣＧ信号内にあるペースパルスを検出する装置であって、
    （Ａ）前記ＥＣＧ信号を処理し、前記ＥＣＧ信号の勾配の推定値である勾配信号を作る手段、
    （Ｂ）検出すべきペースパルス間の時間より少ない時間間隔に亘り前記勾配信号を分析することにより決定される勾配閾値を繰り返し決定して更新する手段、
    （Ｃ）前記勾配信号の大きさが前記閾値を超えることを検出する手段と、
    （Ｄ）前記閾値を超える正の勾配の発生が、前記閾値を超える負の勾配の発生から特定の時間内にあることを検出する手段であり、前記特定の時間は検出すべきペースパルスの予想幅に基づくものである手段、
    とを備えている装置。
  2. 患者からのＥＣＧ信号を分析して、前記患者の心臓の人工ペーシングから生ずる前記ＥＣＧ信号内のアーティファクトを識別する方法において、
    （Ａ）前記ＥＣＧ信号を処理し、前記ＥＣＧ信号の勾配の推定値である勾配信号を作るステップ、
    （Ｂ）前記勾配信号の大きさが閾値を超えることを決定するステップ、
    （Ｃ）前記閾値を超えていると識別された正の勾配が前記閾値を超えていると識別された負の勾配の特定の時間内にあることを検出するステップであり、前記特定の時間は検出すべきペースパルスの予想幅に基づくものであるステップ、
    （Ｄ）検出すべきペースパルス間の時間より少ない期間に亘り前記勾配信号を分析することにより決定される前記勾配閾値を更新するステップ、
    を備えている方法。
  3. （Ａ）ＥＣＧ信号を処理し、前記ＥＣＧ信号の勾配の推定値である勾配信号を作るステップ、
    （Ｂ）前記勾配信号の大きさが閾値を超えることを決定するステップ、
    （Ｃ）前記閾値を超えていると識別された正の勾配が前記閾値を超えていると識別された負の勾配の特定の時間内にあることを検出するステップであり、前記特定の時間は検出すべきペースパルスの予想幅に基づくものであるステップ、
    （Ｄ）検出すべきペースパルス間の時間より少ない期間に亘り前記勾配信号を分析することにより決定される前記勾配閾値を更新するステップ、
    に従ってコンピュータにＥＣＧ信号を分析させるのに使用し得るように構成されたコンピュータ読取り可能のメモリ。
  4. 患者監視装置であって、
    （Ａ）電極に接続して患者からのアナログＥＣＧ信号を測定し、そのアナログＥＣＧ信号をディジタルＥＣＧ信号に変換するＥＣＧフロントエンド、
    （Ｂ）ペースパルス検出器であって、
    前記ディジタルＥＣＧ信号を処理し、前記ＥＣＧ信号の勾配の推定値である勾配信号を作る手段、
    検出すべきペースパルス間の時間より少ない期間に亘り前記勾配信号を分析することにより決定される勾配閾値を繰り返し決定して更新する手段、
    前記勾配信号の大きさが前記閾値を超えることを検出する手段、
    前記閾値を超えていると識別された正の勾配が前記閾値を超えていると識別された負の勾配の特定の時間内にあることを検出する手段であり、前記特定の時間は検出すべきペースパルスの予想幅に基づくものである手段、
    を有するペースパルス検出器、
    を備えている患者監視装置。
  5. 前記閾値は分析する時間間隔における勾配のピーク値の約３倍である請求項１または４に記載の装置。
  6. 前記特定の時間は約３ミリ秒である請求項１または４に記載の装置。
  7. 更に、検出されたペースパルスを有する信号の一部が実質上修正されている修正ＥＣＧ信号を作る手段を備えている請求項１または４に記載の装置。
  8. 修正ＥＣＧ信号を作る前記手段は、
    （１）初期閾値を記憶し、
    （２）ＥＣＧデータを所定の置き換え期間置き換え、
    （３）前記置き換え期間中、前記閾値を超える勾配を探索し、このような勾配が検出されれば、前記置き換え期間を延長し、前記初期閾値を新しい値で置き換える、
    請求項７に記載の装置。
  9. 修正ＥＣＧ信号を作る前記手段は、
    （１）ペースパルスが既に実質上除去されている修正ＥＣＧ信号を作り、
    （２）前記修正ＥＣＧ信号を濾過し、
    （３）ペースパルスデータを前記修正ＥＣＧ信号に再挿入する、
    請求項７に記載の装置。
  10. 前記ＥＣＧフロントエンドおよび前記ペースパルス検出装置はＥＣＧデータを送信する無線通信送信機を備えている患者支持装置に埋め込まれている請求項１または４に記載の装置。
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