JP4663152B2

JP4663152B2 - 医療機器のノイズ低減と電極欠陥検出の方法と装置

Info

Publication number: JP4663152B2
Application number: JP2001151790A
Authority: JP
Inventors: ヴィルヘルム・ジョセフ・カイザー; ホルスト・ヴェーバー; ヴォルフガング・ヴィンター
Original assignee: ジーイー・マルケット・メディカル・システムズ・インク
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2021-05-22
Also published as: EP1157659A1; US6974420B2; US6487449B1; EP1157659B1; CN1341862A; CN1251643C; DE60129505T2; JP2002078692A; US20020183797A1; DE60129505D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生理的なアクティビティを測定するために使われる機器のノイズ低減と電極欠陥の検出方法と装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
人間とその他の対象の臓器機能は、しばしば、電気的アクティビティによって制御されるか、さもなければ、それに関連する。例えば、人間と動物の神経システムは、監視可能か、もしくは、測定可能な様々な電気信号を生成する。同様に、心臓のリズミカルな鼓動は、規則正しく連続する放電によって続けられる。人間では右心房の洞結節で放電が始まる。放電は、（ヒス束として周知の）房室結節と神経筋繊維束を介してそれらの室に向かう。電極を身体の様々な部分に取り付けることによって、心臓の電気的アクティビティの記録を取ることができる。この記録は心電図、即ち、ＥＣＧとして知られており、ＥＣＧは様々な診断と治療行為で使われる。
【０００３】
患者に電極を正しく適用することは、ＥＣＧを適切に検出して測定するためにとても重要である。もし、１つの電極が不適切に、即ち、不充分に身体に接続されると、全くＥＣＧ信号が検出されないか、ノイズを含むＥＣＧ信号が検出される。これによって、誤診や不適切な治療がなされることになり、これによって、深刻な結果がもたらされることがある。
【０００４】
誤ったＥＣＧの解釈を避けるために、電極の欠陥状態を検出したり、識別する多くの装置と方法が開発された。これらの装置と方法があるにもかかわらず、電極欠陥を適切に検出したり、電極欠陥と不充分な電極接続に関連するノイズを低減することができなかった。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、対象の電気的なアクティビティを測定するために使用される電極の欠陥を検出する方法と装置を提供する。また、本発明は、電極からの信号ノイズを低減するメカニズムを提供する。前記方法は、ＲＬ電極（一般的に、右脚の上、もしくは、近くに配置されるのでそのように名づけられた）を対象に接続することによって、キャリヤ信号を対象に送る処理を含む。ＲＬ電極から、ＡＣキャリヤ信号が対象に送られる。一旦、ＲＬ信号が対象に送られると、少なくとも一つの信号検知電極を対象に取り付けることによって、電気的アクティビティ成分とキャリヤ信号成分の合成信号が検知される。次に、電気的アクティビティ成分をキャリヤ信号成分から分けることによって合成信号が処理される。次に、少なくとも一つの信号検知電極のインピーダンス値は、そのキャリヤ信号成分を用いて計算される。最後に、計算されたインピーダンス値は既知の値と比較されて、電極欠陥があるかどうか調べられる。
【０００６】
合成信号の処理には、第１の零点周波数をもつ有限インパルス応答ローパスフィルタによる合成信号のフィルタリングも含まれることが好ましい。高周波ノイズを除去し、検知された電気的なアクティビティ成分から検知されたキャリヤ信号成分を分離するためにローパスフィルタが用いられる。また、前記キャリヤ信号の特徴を求めるためにローパスフィルタが用いられる。特に、そのフィルタの第１の零点周波数とほとんど同じ周波数をもつキャリヤ信号が生成される。２つの機能、即ち、ノイズのフィルタリングを行い、キャリヤ信号を除去する機能用にフィルタが使われるので、本発明では、従来技術による電極欠陥検出システムに比べて少ない計算パワーで済む。少ない計算パワーで済むということは、１２本以上のリード線を備えるマルチリードシステムでは特にメリットがある。
【０００７】
患者、即ち、対象に取り付けるように設計された第１のＥＣＧ信号検知電極と第２のＥＣＧ信号検知電極と第３のＥＣＧ信号検知電極を備えるシステムで本発明を使うことができる。また、ＲＬ電極は患者に接続される。ＲＬ電極は、信号生成器によって生成されたＡＣキャリヤ信号を送るためのものである。キャリヤ信号はＲＬ電極から出され、患者からの生理的で電気的なアクティビティと共に検知電極で検知される。従って、各検知電極からは、キャリヤ信号成分と電気的アクティビティ成分をもつ合成信号が出力される。それらの電極からの信号は、信号を処理し、モニターやプリンタやその他の処理装置などの装置に送信可能な出力信号を生成する信号処理部に送られる。また、信号処理部は、制御装置、もしくは、警報装置に送信可能な電極欠陥信号を生成し、それによって、光アラーム、もしくは、音声アラーム等のアラームインディケータが起動される。
【０００８】
前述のことから明らかなことであるが、ノイズフィルタリングと協力して電極欠陥の識別を行う本発明の方法とシステムを提供することはメリットがある。詳細な記述と添付図面を検討することによって、本発明のその他の特徴とメリットが明らかとなろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、以下の記述で開示されるか、もしくは、図面に描かれたアプリケーションのコンポーネント構成と詳細な配列に限定されないことを理解すべきである。本発明は、その他の実施形態でも実施可能であり、また、様々な方法で実施、もしくは、実行することができる。また、ここで使用される言葉遣いや専門用語は、説明するためのものであって、限定するためのものと見なすべきではないことを理解すべきである。
【００１０】
図１は本発明を実現するシステム１０を示す。システム１０は、人間の患者Ｐ等の生きている対象からＥＣＧ信号を獲得してフィルタリングし、信号獲得中に起こる電極欠陥を検出する。システム１０は、第１のＥＣＧ信号検知電極１２と第２のＥＣＧ信号検知電極１４と第３のＥＣＧ信号検知電極１６を備える。電極１２、１４、１６は、特殊な種類のものである必要はないが、ＥＣＧと類似の電気信号を測定するために利用される共通電極でもよい。電極は患者Ｐに取り付けられる、さもなければ、周知の方法で患者Ｐに接続される。３つの電極だけが示されているが、より少ない、あるいは、より多い電極を患者に接続してもよい。
【００１１】
また、右脚（ＲＬ）電極１８も患者に接続される。本発明ではＲＬ電極を使うことが好ましいが、信号を送信できるその他のアクティブ電極も使用可能なことを理解していただきたい。ＲＬ電極からは、信号生成器２０によって生成される交流キャリヤ信号Ｓ１が送られる。信号Ｓ１が電極１８から出力され、それが患者Ｐからの生理的で電気的アクティビティと共に検知電極１２、１４、１６によって検知される。従って、各検知電極からは、キャリヤ信号成分Ｃ_SPと電気的なアクティビティ成分Ｅ_APを備える合成信号Ｓｃが出力される。信号Ｓｃは信号処理部３０に送られる。処理部３０は信号を処理し、低ノイズのＥＣＧ出力信号Ｓ_ECGを生成する。モニターやプリンタや、さらに別の処理装置（不図示）等の装置に信号Ｓ_ECGを送信することができる。また、信号処理部３０は、電極欠陥信号Ｓ_EFを生成し、これは、光アラームや音声アラーム等のアラームインディケータ（不図示）を駆動させる制御装置、もしくは、警報装置に送られる。
【００１２】
図２に最も良く示されているが、信号処理部３０はスプリッタ３２を備える。信号Ｓ_cはスプリッタ３２によって第１の信号成分Ｓ_S1と第２の信号成分Ｓ_S2に分けられる。第１の信号成分Ｓ_S1はフィルタ３４に送られる。フィルタ３４は、第１の信号成分Ｓ_S1の高周波ノイズを低減させる。また、フィルタ３４は、第１の信号成分Ｓ_S1からキャリヤ信号成分Ｃ_SPのほとんど全てをフィルタ除去して、電気的アクティビティ成分Ｅ_APを含む信号Ｓ_OUTを出力する。信号Ｓ_OUTは第２のスプリッタ３６に送られる。スプリッタ３６は、信号Ｓ_OUTを信号Ｓ_ECGである第１の信号と第２の信号Ｐ２に分ける。第２の信号Ｐ２は、合計処理ノード、即ち、結合部３８の正の入力部に送られる。
【００１３】
また、スプリッタ３２からの信号Ｓ_S2は結合部３８に送られる。特に、信号Ｓ_S2は結合部の負の入力部に送られる。信号Ｐ２、Ｓ_S2は結合部３８で結合されて、各信号の電気的なアクティビティ成分は、実質的に抑制される（ゼロ振幅、もしくは、ゼロに近い振幅に低下する）。結合部は、信号Ｓ_S2からのキャリヤ成分Ｃ_SPを含む信号Ｓ_COMBを出力する。信号Ｓ_COMBはインピーダンス計算部４０に入力される。インピーダンス計算部４０は、各電極１２−１６に対するインピーダンス値を計算するために信号Ｓ_COMBを用いる。インピーダンス計算部４０は、各電極の既知のインピーダンス値と計算値を比較する。インピーダンス計算は、電極と対象の皮膚の表面間のインピーダンスに基づいてなされる。もし、検知電極が対象に適切に取り付けられているか、もしくは、接続されているならば、キャリヤ信号成分Ｃ_SPの振幅は比較的小さくなる。もし検知電極の内部に欠陥があるか、もしくは、それが不適切に接続されていると、キャリヤ信号Ｃ_SPの振幅は比較的大きくなる。各電極のインピーダンス値（電極と対象の皮膚間のインピーダンス）は、フィルタ３４とインピーダンス計算部４０の両方を用いる４ステップのアルゴリズムで求められる。第１のステップでは、上述したようにフィルタ３４を用いて第１の信号成分Ｓ_S1がフィルタリングされる。好適な実施形態のフィルタ３４は、有限インパルス応答の（ＦＩＲ）ローパスフィルタである。本技術分野では周知のことであるが、ＦＩＲフィルタはソフトウエアを用いて実施され、次の方程式によって特徴づけられる。
【００１４】
ｙ＝（ｘ_n＋ｘ_n1＋．．．＋ｘ_n-ン₊₁）／Ｎ（式１）
ここで、ｘは入力信号であり、ｙは出力信号であり、Ｎはｘが入力される項の数である。ＥＣＧ獲得アプリケーションでは、フィルタ３４はカットオフ、即ち、約１５０Ｈｚのコーナ周波数（−３ｄＢ）を備えることが好ましい。１０００ＨｚのサンプリングレートではＮは３である。これらの値を式１に代入すると、第１の零点（周波数が完全に抑圧される第１の点）は約３３３Ｈｚである。このことは、図３に示される周波数応答グラフに描かれている。示されているように、約３３３Ｈｚでは、フィルタはゼロゲインである。
【００１５】
フィルタ３４は信号Ｓ_OUTを出力する。Ｓ_OUTは、
Ｓ_OUT[i]＝（Ｓ_S1[i]＋Ｓ_S1[i-1]＋Ｓ_S1[i-2]）／３（式２）
によって記述できる。
【００１６】
キャリヤ信号Ｓ１の周波数がフィルタ３４の第１の零点の周波数に設定されると、単なるフィルタリング処理によって、信号Ｓ_S1からキャリヤ信号、即ち、キャリヤ信号成分Ｃ_SPが除去される。この結果、信号Ｓ_OUTは電気的アクティビティ成分Ｅ_APだけを含むことになる。アルゴリズムの次のステップでは、結合部３８によって信号Ｓ_S2から信号Ｐ２が減算されて、
Ｓ_COMB[i]＝Ｓ_S2[i]−Ｐ２[i] （式３）
で記述可能な信号Ｓ_COMBが生成される。
【００１７】
第３のステップでは、インピーダンス計算部４０によって信号Ｓ_COMBの差が計算され、
Ｓ４[i]＝Ｓ_COMB[i]−Ｓ_COMB[i-1] （式４）
が得られる。
【００１８】
この差によって、信号Ｓ_COMBが増幅されることになる。第４のステップでは信号Ｓ４が用いて、

に基づいて、信号Ｓ４の３つの値の絶対値を加えることによってインピーダンス値が計算される。信号Ｓ４について絶対値をとることによって、信号Ｓ５は、信号Ｓ４とサンプリングレート間の位相に依存しないものになる。計算されたインピーダンス値が既知のインピーダンス値と、所定の値、例えば、１０％以上異なる場合は、欠陥が検出されて、インピーダンス計算部は電極欠陥信号Ｓ_EFを生成する。
【００１９】
上述されたように、キャリヤ信号Ｓ１の周波数がフィルタ３４の第１の零点に一致するように、信号生成器２０が調整される。電気的アクティビティ信号Ｓ_S1をフィルタリングし、ＲＬ電極１８に送られるＡＣキャリヤ信号を抽出するためにフィルタ３４を用いるので、本発明では、従来のシステムより少ない計算用リソースですむ。従来のシステムでは、独立した２組のコンピュータ、即ち、プログラム可能な計算を実行する必要がある。マルチリードシステムでは、より少ない計算用リソースを利用することが重要である。何故ならば、リード線の数が増えると、リード線からの信号を処理するために必要な計算パワーの量も増加するからである。高処理能力のコンピュータとプロセッサを利用することもできるが、高処理能力のコンピュータは比較的高価である。高価でないコンピュータを備える効率的なシステムを構成することは、システム１０のコストを低く抑える手助けとなる。
【００２０】
上の記述からわかることであるが、本発明は、生理的検知システムの電極欠陥を見つける、即ち、識別する方法とシステムを提供する。
【００２１】
本発明の様々な特徴とメリットは請求項で開示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実現するための装置の模式図である。
【図２】本発明を実現するための信号処理部の模式図である。
【図３】本発明での利用に適するローパスフィルタの周波数応答を示すグラフである。

Claims

対象（Ｐ）の生理的アクティビティを測定するために使われる電極欠陥検出システムであって、キャリヤ信号（Ｓ１）を前記対象に送るための、少なくとも一つのキャリヤ信号電極（１８）と、アクティビティ成分（Ｅ_ＡＰ）とキャリヤ信号成分（Ｃ_ＳＰ）をもつ合成信号（Ｓ_ｃ）を検知するための少なくとも一つのアクティビティ電極（１２、１４、又は１６）と、前記少なくとも一つのアクティビティ電極に接続された信号プロセッサ（３０）とを備えており、前記信号プロセッサは、前記合成信号（Ｓ_ｃ）を、アクティビティ成分（Ｅ_ＡＰ）とキャリヤ信号成分（Ｃ_ＳＰ）を含む第１の信号（Ｓ_Ｓ１）と、アクティビティ成分（Ｅ_ＡＰ）とキャリヤ信号成分（Ｃ_ＳＰ）を含む第２の信号（Ｓ_Ｓ２）とに分ける第１のスプリッタ（３２）と、前記第１のスプリッタ（３２）に接続され、前記第１の信号（Ｓ_ｃ）を受信し、前記第１の信号のキャリヤ信号成分（Ｃ_ＳＰ）を実質的に除去して出力信号（Ｓ_ＯＵＴ）を得るフィルタ（３４）と、前記フィルタ（３４）に接続され、前記出力信号（Ｓ_ＯＵＴ）を第１の出力信号（Ｐ１）と第２の出力信号（Ｐ２）に分ける第２のスプリッタ（３６）と、前記第１と第２のスプリッタに接続され、前記第２の出力信号（Ｓ_Ｓ２）から前記第２の信号（Ｐ２）を減算して、第２のキャリヤ信号（Ｓ_ＣＯＭＢ）を生成する結合部（３８）と、前記結合部（３８）に接続され、前記第２のキャリヤ信号に基づいてインピーダンス値を計算するインピーダンス計算部（４０）を含んでいる、システム。
前記インピーダンス計算部（４０）は、前記計算されたインピーダンス値と既知のインピーダンス値を比較し、もし前記計算されたインピーダンス値が前記既知のインピーダンス値と所定量異なるなら、欠陥信号（Ｓ _ＥＦ）を生成する、請求項１に記載のシステム。