JP6320836B2 - 心電波形検出装置、心電波形検出プログラム、及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、心電波形検出装置、心電波形検出プログラム、及び撮像装置に関する。

心電計は、生体に電極を取り付け、電極間の電位差を計測する装置である。心電計によって計測された情報は心電図（ＥＣＧ：Electrocardiogram）と呼ばれ、医療分野で広く用いられている。心電図から得られる情報としては、例えば、Ｐ波（P-wave）、Ｒ波（R-wave）、ＱＲＳ複合波（QRS complex）、Ｔ波（T-wave）などがある。これらの波形は、各種の心疾患の診断に用いられる他、心電同期撮像が可能な医療診断装置の同期信号に利用されるため、波形の自動検出は産業応用上重要である。

Bert-Uwe Kohler et al. "The Principles of Software QRS Detection,’’ IEEE Engineering in Medicine and Biology, pp. 42-57, January/February 2002.

ＥＣＧ信号の中からＲ波等の特定の波形を検出する場合、検出の信頼性を高めようとすると検出に要する時間が長くなり、遅延時間が大きくなる。一方、遅延時間を短くしようとすると、検出の信頼性が低下する。このように、従来の手法は、高い検出信頼性と短い遅延時間とを両立させるのに十分ではなかった。ここで、検出の信頼性が高いとは、検出しようとする特定の波形を正しく検出する確率が高く、検出しようとする特定の波形以外の波形を誤って検出する確率が低いことを意味している。

そこで、高い検出信頼性と短い遅延時間とを両立させることができる、心電波形検出装置、心電波形検出プログラム、及び心電同期撮像装置が要望されている。

実施形態の心電波形検出装置は、取得したＥＣＧ信号の中に含まれる特定の波形を検出する第１の検出部と、前記第１の検出部で検出した前記特定の波形の一部の波形に基づいて、前記特定の波形を検出するための検出パラメータを更新する更新部と、更新された前記検出パラメータを用いて、前記ＥＣＧ信号から前記特定の波形を検出する第２の検出部と、前記第２の検出部が前記特定の波形を検出した情報に基づいて同期信号を生成する生成部と、を備える。

ＥＣＧ信号を模式的に示す図。 第１の実施形態の心電波形検出装置を示す図。 心電波形検出装置のハードウェア構成を示す図。 波形パターンの例を示す図。 第１の実施形態の心電波形検出装置の処理例を示すフローチャート。 第１の実施形態の心電波形検出装置の構成を示す図。 第１の実施形態の心電波形検出装置の処理例を示すフローチャート。 第１の実施形態の心電波形検出装置の動作を説明する図。 波形テンプレートの更新によって検出の信頼性が向上することを概念的に説明する図。 第２の実施形態の心電波形検出装置を示す図。 第２の実施形態の心電波形検出装置の処理例を示すフローチャート。 第２の実施形態の心電波形検出装置の動作を説明する図。 第２の実施形態の変形例の心電波形検出装置を示す図。 心電同期撮像装置を示す図。 心電波形検出装置の構成例を示す図。 心電波形検出装置の構成例を示す図。 心電波形検出装置の構成例を示す図。

実施形態に係る心電波形検出装置、心電波形検出プログラム、及び心電同期撮像装置（撮像装置）の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をするものとして、重複する説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本実施形態に係る心電波形検出装置１の検出対象であるＥＣＧ信号（心電図の形状に対応する信号を、ＥＣＧ信号と呼ぶ）を模式的に示す図である。図１（ａ）に示すように、ＥＣＧ信号は、Ｐ波、Ｒ波、ＱＲＳ複合波（Ｑ波、Ｒ波及びＳ波の複合波）、Ｔ波等の特定の波形を有している。

以下の各実施形態では、特定の波形のうち、Ｒ波を検出する例を説明する。Ｒ波を検出する例は、一例であり、実施形態の心電波形検出装置１は、Ｒ波以外の波形（例えば、Ｐ波、ＱＲＳ複合波、Ｔ波等）を検出することが可能である。

図１（ｂ）は、Ｒ波の近傍を拡大した図であり、Ｒ波のピークから心拍同期信号までの時間を遅延時間としている。心拍と同期して撮像することができる心電同期撮像装置（撮像装置）２００としては、例えばＣＴ(Computed Tomography)装置や、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置等がある。例えば、心電同期撮像装置２００は、Ｒ波の発生位置を基準としてデータ収集の開始タイミングを決定する撮像法（心電同期撮像法）を用いる。心電同期撮像装置２００は、Ｒ波の位置に対応する心拍同期信号を取得し、取得した心拍同期信号を基準としてデータ収集の開始タイミングを決定する。撮像の目的によっては、Ｒ波の直後から撮像データ収集が必要となる。このため、ＥＣＧ信号の中からＲ波の到来を検出し、同期信号を生成するまでの時間、即ち、遅延時間を短くする必要がある。この遅延時間が別途定めた値を超えないようにＲ波を検出する必要がある。

例えば、ＭＲＩ装置の場合を例に挙げて説明すると、ＭＲＩ装置では、ＦＢＩ（Fresh Blood Imaging）法や、Ｔｉｍｅ−ＳＬＩＰ（Time−Spatial Labeling Inversion Pulse）法等、各種の非造影ＭＲＡ（Magnetic Resonance Angiography）の手法が用いられる。ＭＲＩ装置は、ＦＢＩ法によるデータ収集において、例えば、心拍同期信号を基準としてデータ収集のタイミングを制御することで拡張期画像及び収縮期画像を収集し、これらの差分画像を算出することにより、動脈が描出された血管像を得ることができる。また、ＭＲＩ装置は、Ｔｉｍｅ−ＳＬＩＰ法によるデータ収集において、例えば、心拍同期信号を基準として標識化パルスを印加するタイミングやデータ収集のタイミングを制御することで、血流の画像を得ることができる。このように、ＭＲＩ装置は、ＥＣＧ信号から生成された心拍同期信号を基準として、データ収集のタイミングや各種パルスの印加タイミングの制御を行っている。これらのタイミングは、Ｒ波の直後となる場合も多いため、この遅延時間はできるだけ短い方が望ましい。なお、上記は一例に過ぎず、無論、心臓等を対象とした各種撮像や、造影剤を用いた撮像等、ＭＲＩ装置は、他の撮像においても心拍同期信号を基準とした撮像を行う。

図２は、第１の実施形態の心電波形検出装置１の構成と、心電波形検出装置１に接続される装置の構成を示すブロック図である。心電計Ｎは、ＥＣＧ信号を生成し、心電波形検出装置１に送る。心電波形検出装置１は、ＥＣＧ信号から心拍同期信号を生成し、心電同期撮像装置２００に送る。

心電計Ｎは、電極１０１ａ、１０１ｂ、増幅器１１０、及びＡＤ変換器１２０を備える。電極１０１ａ、１０１ｂは人体に取り付けられる。増幅器１１０は、電極１０１ａ、１０１ｂ間の微弱な電位差を増幅する。ＡＤ変換器１２０は、増幅器１１０が増幅したアナログ信号をデジタル信号に変換する。

心電計Ｎは、２つの電極１０１ａ、１０１ｂを例示しているが、電極の数は２つに限定されるものではない。例えば、１２誘導心電図を得るために、四肢に夫々取り付ける４つの電極と、胸部に取り付ける６つの電極を備える構成でもよい。また、体の２点間の電位差を求める方法ではなく、あらかじめ決めておいた基準と電極装着点の電位差を記録する方法であっても構わない。

心電波形検出装置１は、入力部１０、第１の検出部２０、パラメータ更新部３０、第２の検出部４０、出力部５０を備える。

入力部１０は、ＥＣＧ信号をＡＤ変換器１２０から取得する。第１の検出部２０は、ＥＣＧ信号の中に含まれるＲ波を検出する。

パラメータ更新部３０は、第１の検出部２０がＲ波の検出に用いた波形のうち一部の波形を使用して、検出パラメータを更新する。第２の検出部４０は、更新された検出パラメータを用いてＲ波を検出し、心拍同期信号を生成する。出力部５０は、生成した心拍同期信号を、心電同期撮像装置２００に送る。

心電波形検出装置１の各部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integration Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェア処理で実現しても良い。また、ハードウェアとソフトウェア処理とを組み合わせて実現してもよい。ソフトウェア処理で実現する場合、図３に例示するコンピュータ３００に所定のプログラムを実行させることによって心電波形検出装置１の各部の動作を実現することができる。

図３に例示するコンピュータ３００は、入出力インターフェース３０１、プロセッサ３０２、通信インターフェース３０３、ＲＡＭ（Random Access Memory）３０４、不揮発性メモリ３０５、ディスクドライブ３０６を有する。

不揮発性メモリ３０５は、例えばハードディスクやフラッシュメモリなどの記憶装置であり、各種のプログラムやデータを記憶する。プロセッサ３０２は、不揮発性メモリ３０５に記憶されている。プロセッサ３０２は、心電波形検出装置１の各部の動作を実現するためのプログラムを不揮発性メモリ３０５からＲＡＭ３０４に読み出して実行する。この他、磁気ディスク、光ディスク、ＵＳＢメモリ等の記録媒体に保存されたプログラムを、ディスクドライブ３０６或いは入出力インターフェース３０１から読み込んでも良い。また、外部のサーバから通信インターフェース３０３を介してダウンロードしても良い。

心電波形検出装置１は、図２に示したように、第１の検出部２０と第２の検出部４０で夫々が異なる波形を検出する。第１の検出部２０が検出する波形は、第２の検出部４０が検出する波形よりも、検出しやすい波形であることが好ましい。第１の検出部２０での検出結果を利用して、第２の検出部４０を動的にチューニングする。即ち、第２の検出部４０で用いる検出パラメータを第１の検出部２０の検出結果に応じて動的に更新する。検出パラメータを更新することよって、第２の検出部４０が検出の対象とする波形が、検出の信頼性の高い波形ではなかったとしても、第２の検出部４０の検出信頼性を高くすることができる。第２の検出部４０の検出結果に基づいて心拍同期信号が生成される。

以下では、主に、入力されたリアルタイムのＥＣＧ信号のＲ波を検出する例について説明する。ＥＣＧ信号を一旦適宜のメモリに保存する構成であっても構わない。

図４（ｂ）は、第１の検出部２０の検出対象の波形の例として、波形パターンＷＦ１を示す図である。また、図４（ｃ）は、第２の検出部４０の検出対象の波形の例として、波形パターンＷＦ２を示す図である。図４（ａ）は、波形パターンＷＦ１及び波形パターンＷＦ２と、ＥＣＧ信号との時間軸上の位置関係を示す図である。

第１の検出部２０は、Ｒ波全体を含む所定の範囲の波形（波形パターンＷＦ１）に対応する第１の検出期間で検出をする。第１の検出期間は、Ｒ波と、Ｒ波から所定期間だけ前の期間及び前記Ｒ波から所定期間だけ後の期間とを含む期間である。

一方、第２の検出部４０は、Ｒ波のピークと、このピークよりも時間的に前の所定範囲の波形（波形パターンＷＦ２）に対応する第２の検出期間で検出をする。

第１の検出期間は、時間幅の広い検出対象波形（波形パターンＷＦ１）を検出する。第１の検出部２０から波形パターンＷＦ１を検出したか否かの結果が出力されるのは、第１の検出期間の後端であるため、Ｒ波検出の遅延時間は大きくなる。

これに対して、第２の検出部４０は、Ｒ波のピークの直後に波形パターンＷＦ２を検出したか否かの結果を出力する。第１の検出部２０よりも、Ｒ波検出の遅延時間を短くすることが可能となる。第２の検出期間は第１の検出期間に比べると短いため、第２の検出部４０の方が検出の信頼性が低くなる可能性がある。

実施形態の心電波形検出装置１では、第１の検出部２０での検出結果を利用して、第２の検出部４０で用いる検出パラメータを動的に更新することにより、第２の検出部４０の検出信頼性を高めている。

図５は、心電波形検出装置１の処理の概要を示すフローチャートである。まず、ステップＳＴ１００で、心電波形検出装置１の入力部１０が、ＥＣＧ信号を時系列信号として入力する。ＥＣＧ信号は、例えば、一定周期で（例えば、１ミリ秒で）サンプリングされた信号である。

ステップＳＴ１０２では、第１の検出部２０が、入力したＥＣＧ信号に対してＲ波を検出する。具体的には、前述したように、第１の検出期間を利用して、Ｒ波を含む波形パターンＷＦ１の出現タイミングを、時系列に入力されるＥＣＧ信号から検出する。第１の検出部２０による検出処理の実行間隔は、ＥＣＧ信号のサンプリング周期と同じとしてもよいが、サンプリング周期よりも長い間隔で実行しても良い。第１の検出部２０で行う検出の目的は、その検出結果を利用して第２の検出部４０で用いる検出パラメータを更新し、第２の検出部４０の検出精度を高めることにある。したがって、第１の検出部２０による検出処理は、後述する第２の検出部４０の検出処理の実行間隔よりも長い間隔で実行しても良い。

ステップＳＴ１０４では、第１の検出部２０で得られた検出結果を利用して、パラメータ更新部３０が、第２の検出部４０で用いる検出パラメータを更新する。具体的には、例えば、Ｒ波の検出において、図４（ｂ）に示す波形パターンＷＦ１が検出された場合、その検出時におけるＥＣＧ信号を用いて、次に到来する波形パターンＷＦ２（図４（ｃ））が第２の検出部４０でより確実に検出されるように、第２の検出部４０の検出パラメータを更新する。

或いは、第１の検出部２０ではＴ波を誤ってＲ波として検出することは無かったが、第２の検出部４０ではＴ波を誤ってＲ波として検出した場合に、第２の検出部４０においてＴ波を誤ってＲ波として検出することが無いように第２の検出部４０の検出パラメータを更新してもよい。

ステップＳＴ１０６では、第２の検出部４０が、入力したＥＣＧ信号に対して、更新された検出パラメータを用いてＲ波を検出する。具体的には、前述したように、第２の検出期間を利用して、Ｒ波を含む波形パターンＷＦ２の出現タイミングを、時系列に入力されるＥＣＧ信号から検出する。第２の検出部４０による検出処理の実行間隔は、ＥＣＧ信号のサンプリング周期と同じ（例えば、１ミリ秒間隔）としてもよいが、サンプリング周期よりも長い間隔、例えば、５ミリ秒間隔で実行しても良い。但し、第２の検出部４０による検出処理の実行間隔は、Ｒ波のピークからの遅延時間に直接影響するため、予め定められた遅延時間の最大許容値よりも短い間隔とする必要がある。

ステップＳＴ１０８では、ステップＳＴ１０６において、第２の検出部４０がＲ波を検出した時、検出結果（即ち、心拍同期信号）を外部の心電同期撮像装置２００に出力する。

心電同期撮像装置２００がＭＲＩ装置の場合、心電同期撮像装置２００は、心電波形検出装置１から出力された心拍同期信号から、予め設定された時間が経過したタイミングでデータ収集のためのＲＦパルスや標識化パルスの印加を行うよう、ＲＦパルスを送信するＲＦコイルや、磁気共鳴信号のサンプリングを行う受信部等の各部を制御する。

なお、上記した処理手順は一例に過ぎない。例えば、第１の検出部２０にて特定の波形を検出して第２の検出部４０にて用いる検出パラメータを更新する処理と、第２の検出部４０にて特定の波形を検出する処理とは、必ずしも図５に示したように一連の処理として行われる必要はない。それぞれの処理が、それぞれ並行して行われてもよい。

第１の検出部２０、及び第２の検出部４０では、種々の公知の検出手法を用いることができる。例えば、第１の検出部２０は、非特許文献１に列挙された検出手法のいずれかを用いることができる。非特許文献１には、動的に更新できる検出パラメータを持つ検出手法と、動的に更新できる検出パラメータを持たない検出手法とが紹介されているが、第１の検出部２０は、どちらの検出手法でも用いることができる。

一方、第２の検出部４０は、非特許文献１に列挙された手法のうち、動的に更新できる検出パラメータを持つ検出手法を用いることができる。動的に更新できる検出パラメータを持つ検出手法としては、例えば、入力信号からＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタの係数を更新するAdaptive Filterや、入力信号からテンプレートを更新するMatched Filterを用いた手法がある。また、入力信号を用いて内部状態を更新するニューラルネットワークを用いることもできる。第２の検出部４０はこれらの手法を用いることができる。

サンプリングされてから検出までの遅延時間が短い検出手段（第２の検出部４０）と、遅延時間は大きいものの検出の信頼性が高い検出手段（第１の検出部２０）の複数の検出手段を協調動作させて検出をおこなっている。第２の検出部４０が、動的に更新可能な検出パラメータを用いて検出することで、短い遅延時間で信頼性の高い検出を行うことができる。

以下では、テンプレートを用いたMatched FilterでＲ波を検出する、Matched Filter型の心電波形検出装置１ａの構成と、その動作について説明する。

図６は、心電波形検出装置１ａの構成を示すブロック図である。

図６に示すように、心電波形検出装置１ａの第１の検出部２０は、第１の波形テンプレート２０１、第１の波形照合部２０２、第１の検出判定部２０３、及び波形抽出部２０４を有している。一方、第２の検出部４０は、第２の波形テンプレート４０１、第２の波形照合部４０２、第２の検出判定部４０３を有している。

ここで、第１の波形テンプレート２０１は、図４（ｂ）に示す波形パターンＷＦ１に対応するテンプレートであり、Ｒ波と、Ｒ波から所定期間だけ前の期間及び前記Ｒ波から所定期間だけ後の期間とを含む波形のテンプレートである。

一方、第２の波形テンプレート４０１は、図４（ｃ）に示す波形パターンＷＦ２に対応するテンプレートであり、Ｒ波のピークと、このピークよりも時間的に前の所定範囲の波形のテンプレートである。厳密には、Ｒ波のピークからわずかに時間的に後の範囲も含んでおり、この時間的に後の範囲が、遅延時間（図１（ｂ）参照）に該当する。例えば、Ｒ波のピーク位置をゼロミリ秒（基準）とし、第２の波形テンプレート４０１の範囲を、マイナス２００ミリ秒〜プラス１０ミリ秒としたとき、１０ミリ秒が遅延時間に該当する。許容される遅延時間がαミリ秒である場合、第２の波形テンプレート４０１の期間を、マイナスβミリ秒〜プラスαミリ秒、と設定する。それによって、第２の検出部４０は、Ｒ波のピークからの遅延時間がαミリ秒で、Ｒ波を検出することが可能となる。なお、αやβは必ずしも正の値である必要はなく、ゼロやマイナスの値であっても良い。

なお、第２の波形テンプレート４０１の前端の位置（上記の例ではマイナスβミリ秒）は、遅延時間とは関係がないため、大きな値に設定することもできる。例えば、図４（ｃ）に示す波形パターンＷＦ２のように、Ｐ波よりも前の区間を含めても良い。

図７は心電波形検出装置１ａの処理例を示すフローチャートである。図７のフローチャートは、図５のフローチャートを、Matched Filter型の心電波形検出装置１ａに対応させてより具体的に記述したものである。

ステップＳＴ１００でＥＣＧ信号を入力すると、そのＥＣＧ信号は、第１の検出部２０と第２の検出部４０とに出力される。

ステップＳＴ２００では、第１の検出部２０が、波形パターンＷＦ１に対応する第１の波形テンプレート２０１を用いて、Ｒ波を検出する。第１の波形照合部２０２が、入力部１０から時系列で出力されてくるＥＣＧ信号と、第１の波形テンプレート２０１とをマッチング処理によって照合する。第１の波形照合部２０２は、照合結果を第１の検出判定部２０３に送る。第１の検出判定部２０３は、照合結果から波形パターンＷＦ１の到来と、波形パターンＷＦ１に含まれるＲ波の位置とを検出する。あらかじめ用意した波形パターンと、ＥＣＧ信号の波形との類似度が所定の基準よりも高くなるタイミングを検出できれば、どの様な手法を用いても良い。以下の実施形態では閾値を適用する例について説明する。

マッチング処理の一つの例は、ＥＣＧ信号と第１の波形テンプレート２０１との相互相関関数を演算する処理である。この場合、第１の波形照合部２０２から第１の検出判定部２０３に相互相関関数が時系列で出力される。ＥＣＧ信号と第１の波形テンプレート２０１とが合致すると相互相関関数が大きくなる。第１の検出判定部２０３は、例えば、相互相関関数が閾値よりも大きい場合に、Ｒ波を検出したと判定する。

マッチング処理の他の例は、ＥＣＧ信号と第１の波形テンプレート２０１との差分を演算する処理である。この場合、第１の波形照合部２０２から第１の検出判定部２０３に差分値が時系列で出力される。入力されるＥＣＧ信号と第１の波形テンプレート２０１とが合致すると差分値が小さくなる。第１の検出判定部２０３では、例えば、差分値が閾値よりも小さい場合に、Ｒ波を検出したと判定する。

ステップＳＴ２０２では、第１の検出判定部２０３が、Ｒ波を検出したか否かを判定する。

図８は、心電波形検出装置１ａの動作タイミングチャートを示す。図８の１段目にＥＣＧ波形を示し、２段目に第１の検出部２０の動作概要を示し、３段目に第２の検出部４０の動作概要を示し、４段目に第２の検出部４０から出力される心拍同期信号を示している。

図８は、ＥＣＧ信号に外乱信号が重畳されていない例を示す。第１の検出部２０は、Ｒ波が到来するごとにＲ波を含む波形パターンＷＦ１を検出する。第１の検出部２０によるＲ波の検出は、Ｒ波の前後の期間を含む長い期間の信号を用いて行われる。ただし、その検出結果は、波形パターンＷＦ１、或いは第１の検出期間の後端で出力されることになるため、遅延時間を持って検出される。

図７のステップＳＴ２０４では、波形抽出部２０４が、ＥＣＧ信号から第２の波形テンプレートに対応する期間の信号を抽出する。Ｒ波のピーク位置を基準とし、許容される遅延時間をαミリ秒としたとき、マイナスβミリ秒〜プラスαミリ秒、の期間の信号をＥＣＧ信号の中から抽出し、抽出した信号波形をパラメータ更新部３０に送る。

ステップＳＴ２０６では、パラメータ更新処理部３１０が、ステップＳＴ２０４で抽出されたＥＣＧ信号を使用して、第２の波形テンプレートを更新する。パラメータ更新処理部３１０は、第１の検出部２０でＲ波が検出されるごとに、１つ前の第２の波形テンプレートを抽出したＥＣＧ信号で置き換えることによって、第２の波形テンプレートを更新してもよい。

パラメータ更新処理部３１０は、１つ前の第２の波形テンプレートと、抽出した最新のＥＣＧ信号とを重み付け加算することによって、第２の波形テンプレートを更新してもよい。例えば、次式、
Ｔ_２（ｎ）＝Ｗ１・Ｔ_２（ｎ-１）＋Ｗ２・Ｅｓ（ｎ）
により、第２の波形テンプレートを更新することができる。ここで、Ｔ_２（ｎ-１）は１つ前の第２の波形テンプレート、Ｔ_２（ｎ）は更新後の第２の波形テンプレート４０１、Ｅｓ（ｎ）は、抽出した最新のＥＣＧ信号、ｎは更新番号、Ｗ１、Ｗ２は重み付け係数である。重み付け係数Ｗ１とＷ２の和は、例えば１．０である。Ｗ１とＷ２との配分は、過去のＥＣＧ信号と最新のＥＣＧ信号のどちらをどの程度重視するかといった観点で定められる。例えば、最新のＥＣＧ信号を過去のＥＣＧ信号より重視する場合はＷ２の方をＷ１よりも大きな値に設定する。一方、過去のＥＣＧ信号を最新のＥＣＧ信号より重視する場合はＷ１の方をＷ２よりも大きな値に設定する。この場合、例えば、Ｗ１＝０．９、Ｗ２＝０．１、等に設定する。更新された第２の波形テンプレート４０１は、第２の検出部４０に送られる。

ステップＳＴ２０８で、第２の検出部４０が、更新された第２の波形テンプレート４０１を用いてＲ波を、短い遅延時間で検出する。第２の検出部４０におけるＲ波の検出手法自体は第１の検出部２０におけるものと同じである。第２の検出部４０と第１の検出部２０とはそれぞれ異なる波形テンプレートを使用する。

第２の検出部４０は、遅延時間が短く設定された波形パターンＷＦ２に対応する第２の波形テンプレート４０１を使用する。さらに、第２の検出部４０は第２の波形テンプレート４０１が、最新のＥＣＧ波形によって更新されたものを使用する。その上で、第２の波形照合部４０２は、入力部１０から時系列で出力されてくるＥＣＧ信号と、更新された第２の波形テンプレート４０１とをマッチング処理によって照合する。第２の波形照合部４０２は、照合結果を第２の検出判定部４０３に送る。第２の検出判定部４０３は、照合結果に閾値を適用することにより、波形パターンＷＦ２を検出する。第２の検出判定部４０３は、波形パターンＷＦ２を検出することで、波形パターンＷＦ２に含まれるＲ波を検出する。第２の検出部４０は、ＥＣＧ信号と更新された第２の波形テンプレート４０１との相互相関関数を演算する処理と、ＥＣＧ信号と更新された第２の波形テンプレート４０１との差分を演算する処理、のいずれを行ってもよい。

第２の波形テンプレート４０１は、Ｒ波のピークから後ろの時間が短い。そのため、第２の検出部４０は、図８の第３段目及び第４段目に示すように、短い遅延時間でＲ波を検出することができる。第２の検出部４０は、Ｒ波のピークから短い遅延時間で心拍同期信号を出力することができる。その一方、第２の検出部４０で使用する第２の波形テンプレート４０１の時間幅は、第１の検出部２０で使用する第１の波形テンプレート２０１の時間幅よりも短い。そのため、検出の信頼性は第１の検出部２０よりも劣る。そこで、第２の検出部４０で使用する第２の波形テンプレート４０１を、入力される最新のＥＣＧ信号の波形を用いて更新している。

図９は、第２の波形テンプレート４０１の更新の効果を説明する図である。図９は、マッチング処理として差分処理を用いた場合の例である。第２の波形照合部４０２は、第２のテンプレート４０１とＥＣＧ信号の差分値を求める。図９に示す各グラフは、縦軸が差分値を示し、横軸は、時間を示す。

図９（ａ）及び図９（ｂ）は、ＥＣＧ信号に外乱が重畳していないと仮定した場合の差分値を示す図である。図９（ａ）が第２の波形テンプレートの更新が無い場合、図９（ｂ）が第２の波形テンプレートの更新が有る場合の例である。いずれの場合にも、波形テンプレートの形状と、入力されるＥＣＧ信号の波形が最も類似したタイミングで、差分値は最小となる。

しかしながら、ＥＣＧ信号は必ずしも一定ではなく、ＥＣＧ信号の波形やＲ波のピークの大きさは、患者によって異なる。また、同じ患者をＣＴ装置やＭＲＩ装置等で撮像する場合でもＥＣＧ信号の波形は必ずしも同じではなく、時間的に変動する。このため、常に同じ形状の波形テンプレートを用いてＥＣＧ信号との差分値を求めた場合、その波形テンプレートの形状と、逐次入力されるＥＣＧ信号の波形形状とが一致しない。このため、図９（ａ）に示すように、差分値のピーク（最小点）においても、その最小値はゼロとはならない。また、ＥＣＧ信号中のＲ波のピーク値も時間的に変動するため、差分値のピーク値（最小値）自体も、図９（ａ）中の両矢印で示したように、時間的に変動する。

第２の波形テンプレート４０１を、直近の第１の検出部２０の検出結果に応じた範囲のＥＣＧ信号を用いて更新することにより、時間的な変動を第２の波形テンプレート４０１の形状に反映させることができる。この結果、図９（ｂ）に示すように、ＥＣＧ信号が時間的に変動したとしても、両者の差分値のピーク値を、ゼロ近傍に維持することが可能となる。

差分値は、第２の波形照合部４０２から第２の検出判定部４０３へ送られる。第２の検出判定部４０３は、閾値による判定を行う。第２の検出判定部４０３は、差分値が閾値より小さい場合に波形を検出したと判定する。第１の検出部２０の検出結果に応じて第２の波形テンプレート４０１を更新することにより、安定した閾値判定が可能となる。この効果は、特に、ＥＣＧ信号に外乱やノイズが重畳した場合に顕著となる。ＥＣＧ信号に外乱やノイズが重畳されると、波形テンプレートとの差分値にもその外乱やノイズが重畳し、差分値が大きく変動する。

図９（ｃ）及び図９（ｄ）は、図９（ａ）及び図９（ｂ）に夫々外乱やノイズが重畳された様子を模式的に示す図である。

第２の波形テンプレートを更新しない場合（図９（ｃ））、差分値のピークはゼロよりも大きな値となり、かつピーク値は変動する。このため、ピークを確実に検出しようとすると、閾値を大きな値（ゼロから離れた値）に設定せざるを得ない。そうすると、外乱やノイズを誤検出する確率が高くなる。したがって、差分値のピークを高い信頼性で検出することが難しくなる。

これに対して、第２の波形テンプレートを更新する場合（図９（ｄ））、差分値のピーク値を、ゼロ近傍に維持することが可能となる。このため、閾値を小さな値に設定しても、差分値のピークを確実に安定して検出することができる。閾値を小さな値に設定することにより、外乱やノイズを誤検出する確率は低減する。この結果、差分値のピークを高い信頼性で検出することが可能となる。

なお、第２の波形照合部４０２はマッチング処理として相互相関関数を求めてもよい。その場合も、第２の波形テンプレートを更新することにより信頼性の高い検出が可能となる。なお、差分値の場合にはピークは下に凸の形状となり、相互相関関数の場合にはピークが上に凸の形状となる。そのため、第２の検出判定部４０３は、相互相関関数が閾値より大きい場合に波形を検出したと判定する。

図７に戻り、ステップＳＴ２０８において、第２の検出部４０がＲ波を検出すると、出力部５０が、心拍同期信号を外部の心電同期撮像装置２００に出力する。

上述したように、実施形態の心電波形検出装置１によれば、遅延時間が短くなるように設定した第２の波形テンプレートを用いる。それによって、第２の検出部４０において、Ｒ波等の特定の波形を短い遅延時間で検出することできる。第１の検出部２０での検出結果を利用して第２の検出部４０の第２の波形テンプレート（検出パラメータ）を更新することにより、Ｒ波等の特定の波形を高い信頼性で検出することができる。

（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態の心電波形検出装置１ａの構成例を示すブロック図である。第１の実施形態の心電波形検出装置１ａ（図６）との相違点は、パラメータ更新部３０が、パラメータ更新処理部３１０に加えて、検出異常判定部３２０を有している点である。

検出異常判定部３２０は、第１の検出部２０における検出状態が異常であるか否かを判定する。検出状態が異常であるとは、誤検出（検出したい波形とは異なる波形であるにもかかわらず検出をしてしまうこと）が所定の基準よりも多くなる状態を示す。検出状態が異常である場合には、第２の検出部４０は検出パラメータの更新を行わない。つまり、第２の検出部４０は第２の波形テンプレートの更新を停止する。

図１１は、第２の実施形態の心電波形検出装置１ａの処理例を示すフローチャートである。第１の実施形態の心電波形検出装置１ａのフローチャート（図７）とは、ステップＳＴ３００とステップＳＴ３０１の処理が付加されている点が異なる。

ステップＳＴ３００では、検出異常判定部３２０が、第１の検出部２０における検出状態が正常であるか異常であるかを判定する。検出状態が正常である場合には、ステップＳＴ２０４へ進み、第２の波形テンプレートを更新する。一方、検出状態が異常である場合には、第２の波形テンプレートの更新を停止して、前の状態を維持する。

ステップＳＴ３０２では、第２の検出部４０が更新した第２の波形テンプレート、又は、維持した第２の波形テンプレートのいずれかを用いて、Ｒ波を検出する。

図１２は、第２の実施形態の心電波形検出装置１ａの動作概念を説明する図である。心電同期撮像装置２００がＭＲＩ装置の場合、心電同期撮像装置２００は、ＲＦパルスや傾斜磁場パルスを被検体に印加する。これらの印加に起因して外乱やノイズがＥＣＧ信号に重畳される。図１２の第１段目の左側は、ＥＣＧ信号の波形に乱れが発生する例を示す。また、患者を載せている寝台を移動させた場合にも、ＥＣＧ信号の波形は乱れることがある。

波形の乱れたＥＣＧ信号を用いて、第２の波形テンプレートを更新すると、第２の検出部４０では、正常な検出ができなくなる場合がある。そこで、心電波形検出装置１ａは、ＥＣＧ信号の波形が乱れているか否かを、第１の検出部２０の検出状態から判定する。第１の検出部２０の検出状態が異常である場合には、第２の波形テンプレートの更新を停止する。

例えば、所定の異常判定期間内に第１の検出部２０で検出される回数が所定の基準回数よりも多かった場合に、検出状態が異常であると判定する。異常判定期間を、例えば、１秒とし、１秒間に例えば５回以上検出した場合は、検出状態が異常であると判定する。

この他、検出数の増加の程度に基づいて判定してもよい。例えば、所定の異常判定期間における検出数を所定の期間だけ保持しておく。過去の異常判定期間における検出数の平均値に対して、現在の異常判定期間における検出数が所定の比率だけ増加している場合に、検出状態が異常であると判定するようにしてもよい。

図１２の左側に示すように、検出状態が異常であると判定される場合は第２の波形テンプレートの更新を停止する。一方、図１２の右側に示すように、検出状態が正常に戻った場合には、第２の波形テンプレートの更新を再開する。

第２の検出部４０は、第１の検出部２０における検出状態が異常であると判定される期間においても、維持している第２の波形テンプレートを用いて、Ｒ波の検出を継続する。ＥＣＧ信号の波形が一時的に乱れた場合であっても、外乱を取り除いたＥＣＧ信号自体の形状と、更新が停止される直前の第２の波形テンプレートの形状との一致度が確保されていれば、図９（ｄ）に示すように、信頼性の高い検出が可能である。

（第２の実施形態の変形例）
図１３は、第２の実施形態の変形例に係る心電波形検出装置１ａの構成例を示すブロック図である。第２の実施形態との相違点は、パラメータ更新部３０の検出異常判定部３２０に換えて、更新可否判定部３３０を備えている点である。

更新可否判定部３３０は、心電同期撮像装置２００の動作状態情報を取得する。動作状態情報とは、例えば、心電同期撮像装置２００がＲＦパルスや傾斜磁場パルスが印加中であることを示す情報、寝台が移動中であることを示す情報である。更新可否判定部３３０は、動作状態情報に基づいて第２の波形テンプレート（第２の検出部４０の検出パラメータ）の更新の可否を判定する。心電同期撮像装置２００がＭＲＩ装置の場合、ＲＦパルスや傾斜磁場パルスの印加中は、ＥＣＧ信号の波形が乱れる可能性が高い。また、患者を載せた寝台を移動させている期間もＥＣＧ信号の波形が乱れることがある。寝台移動中のＥＣＧ波形の乱れは、心電同期撮像装置２００がＣＴ装置の場合にも起こり得る。

更新可否判定部３３０は、心電同期撮像装置２００がＲＦパルスや傾斜磁場パルスを印加している期間や、寝台を移動している期間は、第２の波形テンプレートの更新を一時的に停止する。これらの期間以外では、ＥＣＧ信号を用いて、第２の波形テンプレートを更新する。

例えば、心電同期撮像装置２００がＭＲＩ装置の場合、心電同期撮像装置２００は、１つの検査において、撮像計画段階に操作者から入力された撮像条件に従って、複数のプロトコル（例えば、Ｔ１強調画像、Ｔ２強調画像等、複数の撮像種の画像を収集するための複数のプロトコル）を順次実行する場合がある。また、心電同期撮像装置２００は、複数のプロトコルを連続的に実行するが、プロトコルとプロトコルとの間に、一定の中断時間が生じる場合がある。更新可否判定部３３０は、心電同期撮像装置２００から、動作状態情報として、例えば、プロトコルの開始や停止、実行中であることを示す情報を受け取り、この情報に基づいて、プロトコルとプロトコルとの間の中断時間に、第２の波形テンプレートを更新し、プロトコルの実行中には、更新を停止する、といった制御を行う。

第２の実施形態の変形例によれば、より簡便な処理で、波形の乱れたＥＣＧ信号によって第２の波形テンプレートが更新されることを防止することができる。

上記の各実施形態では、心電波形検出装置１が、心電同期撮像装置２００とは別個の構成である例を示した。心電波形検出装置１を心電同期撮像装置２００の内部構成としてもよい。

図１４は、心電同期撮像装置２００ａが電波形検出装置１を含む例を示す図である。心電同期撮像装置２００ａは、心拍同期信号を生成する心電波形検出装置１の他、心拍同期信号に同期して被検体から撮像用のデータを収集するデータ収集部２１０、収集した撮像用のデータから被検体の画像を生成する画像生成部２２０を有する。

上記の各実施形態では、心電波形検出装置１は、心電計Ｎとは別個の構成である例を示した。心電計Ｎを心電波形検出装置１の内部構成としてもよい。

図１５乃至図１７は、心電波形検出装置１ｂが心電計Ｎを備える例を示す図である。

図１５に示す心電波形検出装置１ｂは、ＡＤ変換器１２０から受け取ったＥＣＧ信号を、有線で入力部１０に入力する。

図１６に示す心電波形検出装置１ｂは、送信部１３０と、受信部１３２をさらに備える。送信部１３０と受信部１３２は互いに無線通信が可能である。受信部１３２は、送信部１３０が無線で送信するＥＣＧ信号を受信する。この構成によれば、心電同期撮像装置２００のボア内部に横臥する患者に取り付けられた心電計Ｎから、外部への配線を無くすことができる。

図１７に示す心電波形検出装置１ｂは、記憶部１４０、読取部１４２をさらに備える。記憶部１４０は、ＣＤ、ＤＶＤ、ＵＳＢメモリ等の可搬型の記録媒体にＥＣＧ信号を記憶させる。読取部１４２は、記録媒体を読み込む。読取部１４２は、読み取ったＥＣＧ信号を入力部１０に送る。

なお、上述してきた各種処理の手順（例えば、図５、図７、図１１等）は、必ずしも図示した処理手順に限られるものではない。並行して実行可能な処理手順は、並行して実行してもよいし、その順序に依存性がない処理手順は、順序を入れ替えて実行してもよい。

以上説明してきたように、各実施形態によれば、高い検出信頼性と短い遅延時間とを両立させて、ＥＣＧ信号中の特定の波形を検出することができる。なお、上記の構成は一例であり、異なる検出部を３つ以上備える構成であっても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 心電波形検出装置
１０ 入力部
２０ 第１の検出部
３０ パラメータ更新部
４０ 第２の検出部
５０ 出力部
２００ 心電同期撮像装置
２０１ 第１の波形テンプレート
２０２ 第１の波形照合部
２０３ 第１の検出判定部
２０４ 波形抽出部
４０１ 第２の波形テンプレート
４０２ 第２の波形照合部
４０３ 第２の検出判定部
３１０ パラメータ更新処理部
３２０ 検出異常判定部
３３０ 更新可否判定部
Ｎ 心電計

Claims (14)

1. 取得したＥＣＧ信号の中に含まれる特定の波形を検出する第１の検出部と、
   前記第１の検出部で検出した前記特定の波形の一部の波形に基づいて、前記特定の波形を検出するための検出パラメータを更新する更新部と、
   更新された前記検出パラメータを用いて、前記ＥＣＧ信号から前記特定の波形を検出する第２の検出部と、
   前記第２の検出部が前記特定の波形を検出した情報に基づいて同期信号を生成する生成部と、
   を備える心電波形検出装置。
2. 前記特定の波形は、Ｐ波、Ｒ波、ＱＲＳ複合波、及びＴ波のいずれか１つである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の心電波形検出装置。
3. 前記第１の検出部は、第１の検出期間に含まれる前記ＥＣＧ信号に基づいて前記特定の波形を検出し、
   前記第２の検出部は、第２の検出期間に含まれる前記ＥＣＧ信号に基づいて前記特定の波形を検出し、
   前記第１の検出期間は、前記第２の検出期間よりも長い期間である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の心電波形検出装置。
4. 前記特定の波形はＲ波であり、
   前記第1の検出期間は、前記Ｒ波と、前記Ｒ波から所定期間だけ前の期間及び前記Ｒ波から所定期間だけ後の期間とを含む期間であり、
   前記第２の検出期間は、前記Ｒ波のピークと、前記Ｒ波のピークから所定期間だけ前の期間とを含む期間である、
   ことを特徴とする請求項３に記載の心電波形検出装置。
5. 前記第２の検出部は、前記第２の検出期間に対応する前記ＥＣＧ信号の波形をテンプレートとして保持し、前記テンプレートと、入力された前記ＥＣＧ信号の波形とを照合することにより、前記特定の波形を検出する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の心電波形検出装置。
6. 前記特定の波形はＲ波であり、
   前記第２の検出部は、前記Ｒ波のピークと、前記Ｒ波のピークから所定期間だけ前の期間とを含む期間に対応する前記ＥＣＧ信号の波形をテンプレートとして保持し、前記テンプレートと、入力された前記ＥＣＧ信号の波形とを照合することにより、前記特定の波形を検出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の心電波形検出装置。
7. 前記検出パラメータは前記テンプレートの形状であり、
   前記更新部は、前記第１の検出部で検出した前記特定の波形を使用して、前記第２の検出部が保持する前記テンプレートの形状を更新する、
   ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の心電波形検出装置。
8. 前記特定の波形を検出する処理の実行間隔は、前記第１の検出部よりも前記第２の検出部の方が小さい、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の心電波形検出装置。
9. 前記更新部は、前記第１の検出部における検出状態が異常であるか否かを判定し、前記検出状態が異常である場合には、前記検出パラメータの更新を停止する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の心電波形検出装置。
10. 前記更新部は、所定の異常判定期間内に前記第１の検出部で検出される回数が所定の基準回数よりも多かった場合に、前記検出状態が異常であると判定する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の心電波形検出装置。
11. 前記更新部は、前記同期信号の出力先である心電同期撮像装置の動作状態の情報を入力し、前記動作状態の情報に基づいて前記検出パラメータの更新の可否を判定する、
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の心電波形検出装置。
12. 取得したＥＣＧ信号の中に含まれる特定の波形を検出する第１の検出部と、
    前記第１の検出部で検出した前記特定の波形の一部の波形に基づいて、前記特定の波形を検出するための検出パラメータを更新する更新部と、
    更新された前記検出パラメータを用いて、前記ＥＣＧ信号から前記特定の波形を検出する第２の検出部と、
    前記第２の検出部が前記特定の波形を検出した情報に基づいて同期信号を生成する生成部と、
    前記同期信号に同期して、被検体から撮像用のデータを収集するデータ収集部と、
    収集した前記撮像用のデータから、前記被検体の画像を生成する画像生成部と、
    を備える撮像装置。
13. 前記撮像装置はＭＲＩ装置である、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の撮像装置。
14. コンピュータに、
    取得したＥＣＧ信号の中に含まれる特定の波形を検出する第１の検出ステップと、
    前記第１の検出ステップで検出した前記特定の波形の一部の波形に基づいて、前記特定の波形を検出するための検出パラメータを更新する更新ステップと、
    更新された前記検出パラメータを用いて、前記ＥＣＧ信号から前記特定の波形を検出する第２の検出ステップと、
    前記第２の検出ステップにおいて前記特定の波形を検出した情報に基づいて同期信号を生成する生成ステップと、
    を実行させることを特徴とする心電波形検出プログラム。

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