JP6381444B2 - リアルタイムecgにおいて心電図のst部レベルを全自動で測定する方法およびシステム - Google Patents

リアルタイムecgにおいて心電図のst部レベルを全自動で測定する方法およびシステム Download PDF

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Description

本願発明は、一般的に心電図検査に関する。より特定的には、リアルタイムでの心電図(ECG)のST部レベルの測定に関し、所定の参照例について説明される。しかしながら、他の使用シナリオにおけるアプリケーションを見い出すこともでき、上記のアプリケーションに必ずしも限定されるものではないことが理解されるべきである。
ECGは、一定期間にわたる心臓の電気的活動の記録である。心電計または他の好適な電気的トランスデューサは、そうした電気的活動を非侵襲的に測定する。記録は、それらの機器から生成され、及び/又は、コンピューターといった他の機器によって生成される。従来の心電計は、心臓の電気的活動を測定するために10個の電極を使用する。それぞれの電極は、患者の上に、いくらかの許容範囲をもって所定の位置に配置される。これら10個の電極から、12個のリード(lead)(つまり、電位差)が測定され、及び/又は、引き出される。他の従来の心電計は、3個、5個、15個、16個、EASI、等のリードを有している。
図1には、従来の12個リードの心電計に対する典型的な電極の配置が示されている。右足電極RLは、他の電極に対するグラウンドとして機能する。リードIは、右腕電極RAから左腕電極LAまでに測定され、リードIIは、右腕電極RAから左足極LLまでに測定され、リードIIIは、左腕電極LAから左足電極LLまでに測定される。右腕電極RA、左腕電極LA、および、左足電極LLの平均電圧V(つまり、ウィルソンの中央端子)が決定される。他の9個のリードは、Vと電極V1−6との間の電位差から引き出される6個の定期的なリード、および、リードI、II、および、IIIの組み合わせから引き出される3個の増大された肢誘導(limb lead)VR、VL、および、VFを含んでいる。リアルタイムのECGモニタリングのために、4個の手足電極(RA、LA、RL、LL)は、モーションアーチファクト(artifact)を低減するように、通常は(メイソン−ライカー(Mason−Liker)リード配置として知られている)対応する手足の近くの胴部上に配置される。
心電図のST部レベルは、典型的には、心筋梗塞、心臓拒血、等といった心血管疾患を検査し、診断するために使用される。心電図の重要な機能は、診断上のECG検査、外来のECG検査、および、リアルタイムのECGモニタリングにおいて、広く使用されている。ECGリードに対する選択された正常な脈拍のST部レベルは、J+xポイントと等電点(Iso−electric point)との間の電位差である。Jポイントは、QRS複合波(complex)のオフセット又は終端であり、xは、選択された時間間隔であって、0から80msまで変化する。典型的に、xは60または80msとして選択される。等電点は、QRSのオンセット(onset)Q又はQRS複合波の開始点以前で、P波の終了後の時点である。実用的な医療アプリケーションにおいて、等電点は、大人の患者に対しては、一般にQ−20msに等しい。
ST部レベルを信頼性よく測定するための一つのチャレンジは、等電点とJポイントを信頼性よく配置することである。リアルタイムで外来のECGモニタリングにおいてこれらのポイントを定めるために、少なくとも2つのアプローチがある。手動アプローチと自動アプローチである。
手動アプローチにおいて、等電点は、QRSピーク時間Rから固定の時間間隔u(例えば、u=40ms)を引き算して決定される(つまり、Iso=R−u)。Jポイントは、QRSピーク時間Rに固定の時間間隔z(例えば、z=80ms)を足し算して決定される(つまり、J=R+u)。固定の時間間隔は、一般にモニタリングの最初に、それぞれの患者に対して手動で決定される。しかしながら、このアプリケーションは望ましいものではない。臨床医に、余計な負担をかけるからである。さらに、一旦uとzのオフセットが設定されれば、それらの値は固定であり、QRS形態の変化に適合しない。QRS形態の変化は、JポイントでのST測定を妨げ、及び/又は、JポイントでのST測定に対して実質的な誤差の発生の原因となり得る。このことは、続いて、STアラームの失敗を生じ、及び/又は、真のSTイベントが見逃されかねない。
自動アプローチにおいて、等電点とJポイントは、既定の時間ウィンドウで、選択されたノイズの無い正常な脈拍の平均化された脈拍サイクルECG波形から、自動的に検出される。このことは、ノイズの無い正常な脈拍を選択すること、正常な平均脈拍を連続して構成すること、等電点を自動的に探知すること、および、それぞれのECGリードに対するST部レベルを計算すること、を含んでいる。
ノイズの無い正常な脈拍を選択することは、それぞれのECG信号に対するノイズを検出することを含んでいる。一つのアプローチは、それぞれのリードに対して、ST部s(i)に対する5次元カルーネン−レーベ変換(KLT:Karhunen−Loeve trasform)特徴ベクトル、および、QRS複合波q(i)に対するもう一つの5次元特徴ベクトルを使用する。与えられた脈拍に対して、s(i)とq(i)は、近隣の脈拍のものと比較され、ST部r(i)及びQRS複合波r(i)に対する正規化された残余誤算が計算される。アルゴリズムは、残余誤差、r(i)またはr(i)が所定の割合(例えば、25%)を超える場合に、脈拍iをノイズが多いとみなす。この方法は、近隣の脈拍の情報を使用する必要があり、近隣の脈拍の大部分がノイズの無い脈拍であることを仮定している。s(i)とq(i)を引き出すための計算量は、比較的に多いものである。
ECGノイズの検出のための別のアプローチは、脈拍サイクルにおけるそれぞれのECGリードの主要な波形シャープネス、高周波数ノイズレベル、低周波数ノイズレベルによって、信号品質を評価する。主要な波形シャープネスは、既定のウィンドウ(例えば、400ms)において、絶対波形領域で割り算された最大の絶対振幅(amplitude)により測定される。高周波数ノイズ(HFN)レベルは、R波を用いて中心決めされた一秒間の時間ウィンドウにおけるハイパス(2回微分)フィルターされたECG信号の絶対値を合計し、R波振幅の絶対値の合計で割り算することによって、計算することができる。低周波数ノイズ(LFN)レベルは、一秒間の時間ウィンドウにおけるローパスフィルターされたECG信号の絶対値を合計し、R波振幅の絶対値の合計で割り算することにより測定される。
この方法にチャレンジは、正規化するためにR波振幅の絶対値によってHFNとLFNが調整されるので、同じ量のHFNとLFNが、異なるR波振幅の絶対値の下では、全く異なって表れることである。R波振幅が非常に低い場合には、シビア(sever)でないHFNとLFNの値が、シビアに表れてくる。R波振幅が非常に大きい場合には、シビアなFNとLFNの値が、シビアでなく表れる。正しく理解されるように、これら両方のシナリオは、望ましいものではなく、間違ったノイズ見積りを生じてしまう。
平均化された脈拍を連続して構成することは、既定のウィンドウにおける平均化された正常な脈拍波形を創出する。このことは、さらに、ECGノイズレベルを低減し、等電点とJポイントの自動的な探知を促進する。典型的には、15秒の時間ウィンドウが使用される。それぞれの時間ウィンドウに対して、全ての選択された正常な脈拍を平均化することにより、平均化された正常な脈拍波形が構成される。
等電点とJポイントの自動的な探知は、数多くのアプローチを使用して実行することができる。一つのアプローチは、コンピューターが検出したQRS位置RからR−180msの後方で、それぞれのECGリードの「最も平坦な」5個サンプルの部分を探知することによって、等電点を決定する。この部分の中間サンプルが、リードに対する等電点の候補とされる。全てのリードに例えばする最終的な等電点を決定するために追加のルールを使用してもよい。さらに、それぞれのECGリードにおいてRからR+100msの先方で、連続的な信号電圧変化の量に基づいて波形が「平坦化」を開始するサンプルを探知することによって、Jポイントが決定される。このサンプルは、ECGリードにライトする等電点とみなされる。全てのリードの等電点の位置が比較され、最も最近の位置(つまり、Rから最も遠いもの)が、全てのリードに対する最終的なJポイントであるとされる。
このアプローチの一つのチャレンジは、それぞれのECGリードの波形上で直接的な特徴を記録することによって等電点とJポイントを決定することである。しかしながら、このことは、それぞれのリード全てに行う必要があるので、時間がかかるものである(つまり、コンピューターの負荷が高い)。別のチャレンジは、一つのリードが異常なQRS形態を示す場合、または、遅い「平坦化」ポイントを生じさせる局所的なノイズによって、最終的なJポイントの位置が容易に悪化されることである。さらに別のチャレンジは、このアプローチは、波形をスムーズにするために脈拍の平均化を必要とし、そのため、脈拍患者関連情報のST測定ができないことである。
等電点は、QRSのオンセット(Q)から容易に定められるので、等電点とJポイントを探知するアプローチは、QとJポイントを検出することに変えられる。効果的で効率的なQRSのオンセットとオフセット(Q、J)の検出は、波形長さ変換(WLT)を使用し、複数リードのECG信号を一つのチャンネル結合波形長信号(CWLS)に変換することができる。CWLSは、全てのECGリードのQRS形態を考慮することにより、「グローバル」な方法でQRSのオンセットとオフセットを保存する。そして、CWLSからQとJポイントが検出される。一つのチャレンジは、複数のECGリードについて、一つのノイズが多く又は品質が低いリードが、Q、J検出の精度を実質的に悪化させ得ることである。従って、追加の信号品質コントロールプロセスが無ければ、このアプローチは、等電点とJポイントの信頼性の高い検出に適するものではない。
最後のコンポーネント、それぞれのリードのST部レベルの計算、は、適切に取得された等電点とJポイントが与えられれば、ルーチンである。上述のように、選択されたST部レベル、一つのECGリードに対する通常の脈拍は、そのリードのECG波形のJ+xポイントと等電点との間の電位差である。ここで、xは、選択された時間間隔であり、典型的には60または80msである。
本願発明は、上述の問題又は他の問題を克服するための新規で改善された方法を提供する。
一つの態様に従って、本システムは、心電図(ECG)のQ及びJポイントを決定する。システムは、少なくとも一つのプロセッサを含んでいる。プロセッサは、複数のECGリードから選択された脈拍に対する脈拍サイクル波形を受け取るようにプログラムされている。信号品質が、複数のECGリードのそれぞれに対して決定され、既定の品質クライテリアを満たしているか又は超えている信号品質を伴うECGリードの脈拍サイクル波形が結合される。結合された脈拍サイクル波形上で、QとJポイントが特定される。
別の態様に従って、本方法は、心電図(ECG)のQ及びJポイントを決定する。本方法は、複数のECGリードから選択された脈拍に対する脈拍サイクル波形を受け取るステップを含んでいる。信号品質が、複数のECGリードのそれぞれに対して決定され、既定の品質クライテリアを満たしているか又は超えている信号品質を伴うECGリードの脈拍サイクル波形が結合される。結合された脈拍サイクル波形上で、QとJポイントが特定される。
本発明の一つの利点は、ST部レベル測定に対するロバスト(robust)なリード選択に在る。
本発明の別の利点は、リード選択に対する改善されたノイズ検出に在る。
本発明の別の利点は、ST部レベル測定に対するノイズ許容範囲に在る。
本発明の別の利点は、リードに対する近隣の脈拍からの独立性に在る。
本発明の別の利点は、平均化された脈拍及び単独の脈拍に対するST部レベル測定における改善された精度に在る。
本発明の別の利点は、QRS幅の検出に在る。
本発明の別の利点は、脈拍間におけるST部レベル測定に在る。
本発明の別の利点は、良好な信号品質を伴う全てのECGリードを使用したQ、Jの検出に在る。
本発明のさらなる利点は、以降の詳細な説明を読んで理解すれば、当業者に正しく理解されよう。
本発明は、種々のコンポーネントとコンポーネントの構成での形式、および、種々のステップとステップの構成での形式をとり得る。図面は、好適な実施例を説明する目的だけのものであり、本発明を限定するものとして理解されるものではない。
図1は、従来技術の12個リード心電計のための患者の上の電極配置をグラフィカルに表している。 図2は、マルチリード心電計システムのブロックダイヤグラムである。 図3は、Q、J検出器のブロックダイヤグラムである。 図4は、結合された波形長信号と対比した8個のECG信号のグラフである。 図5は、Q、J検出器によって検出されたQポイントとJポイントがラベル表示された8個のECG信号のグラフである。 図6は、等電点、Jポイント、および、J+xポイントに対する測定ポイントを説明する脈拍サイクル波形のグラフである。 図7は、心電図のST部レベル及び/又はQRS幅を測定する方法のブロックダイヤグラムである。 図8は、J+80でのST測定と欧州心臓学会(European Society of Cardiology)のST−Tデータベースに対する心臓専門医の注釈を対比して表している散布図である。 図9は、J+80でのST測定と欧州心臓学会(のST−Tデータベースに対する心臓専門医の注釈との間の差異に係るヒストグラムである。 図10は、J+0でのST測定と経皮的冠動脈形成術データベースに対する心臓専門医の注釈を対比して表している散布図である。 図11は、J+0でのST測定と経皮的冠動脈形成術データベースに対する心臓専門医の注釈との間の差異に係るヒストグラムである。 図12は、J+60でのST測定と経皮的冠動脈形成術データベースに対する心臓専門医の注釈を対比して表している散布図である。 図13は、J+60でのST測定と経皮的冠動脈形成術データベースに対する心臓専門医の注釈との間の差異に係るヒストグラムである。 図14は、測定されたQRS幅とMIT−BIT不整脈データベースに対する参照QRS幅との対比に係る散布図である。 図15は、測定されたQRS幅とMIT−BIT不整脈データベースに対する参照QRS幅との間の差異に係るヒストグラムである。 図16は、測定されたQRS幅と経皮的冠動脈形成術データベースに対する参照QRS幅との対比に係る散布図である。 図17は、測定されたQRS幅と経皮的冠動脈形成術データベースに対する参照QRS幅との間の差異に係るヒストグラムである。
図2に関して、マルチリード心電計システム10は、心電図に係る一つまたはそれ以上のソース12を含んでいる。好適なソースの実施例は、心電計、ホルターモニター(Hplter monior)、細動除去器、コンピューター、メモリー、ECGモニター、ソフトウェアコンポーネント、等を含んでいる。ソース12は、リアルタイムで心電図を生成してよく、及び/又は、心電図を保管するように動作してよい。
心電図分析システム(EAS)14は、ソース12から心電図を受け取り、心電図のST部レベル及び/又はQRS幅を測定する。EASは、WLTベースのQ、J検出アルゴリズムを、リード選択のための信号品質アセスメントと結合する。良好な信号品質をもつリードだけが、Q、J検出に対して考慮される。以下に説明するように、このことは、信頼性があり効果的なQ、J検出結果をもたらす。EAS14は、ST部レベル及び/又はQRS幅のリアルタイムまたはオフラインでの測定のために使用することができる。
EAS14のレシーバー16は、ソース12からそれぞれの心電図を受け取る。心電図は、N個のリードに対応するN個のECG波形を含んでいる。Nは、1より大きく、大抵は、3から8の範囲にある。波形は、ソースに応じて、アナログ又はデジタルであってよい。前者に関して、レシーバー16は、既定のレート(rate)でアナログ波形をサンプルするアナログ−デジタル変換器を含んでいる。後者に関して、波形は、既定のレートでサンプルされる。
心電図を受け取ると、プロセッサ18は、それぞれの脈拍を検出して分類する。脈拍の種類は、例えば、正常脈拍、異常脈拍(心室性期外収縮又はPVCといったもの)、等を含んでいる。いくつかの実施例において、検出と分類は、リードのサブセットに対する波形の分析を通じて決定される。例えば、一つ又は二つのリードに対する波形だけが使用される。さらに、いくつかの実施例において、プロセッサ18は、波形をフィルターして、検出と分類の以前に、求められていないノイズを除去及び/又は削減する。
脈拍セレクター20は、検討する脈拍に対して前処理された波形から脈拍サイクル波形を選択する。検討する脈拍は、例えば、ユーザー入力デバイス22を使用して、手動で特定され、または、一つまたはそれ以上のルールに従って自動的に特定されてよい。例えば、既定数量の脈拍のそれぞれが検討され、既定数量はゼロより大きいものである。
ST測定の目的のために、検討される脈拍は、個々の正常な脈拍又は平均化された正常な脈拍である。QRS幅の測定の目的のために、検討される脈拍は、個々の正常な脈拍、平均化された正常な脈拍、または、あらゆる他のタイプの個々の脈拍である。平均化された正常脈拍は、既定のサイズのウィンドウにおいて正常な脈拍の波形を平均化することで決定される。例えば、平均化された正常な脈拍の脈拍サイクル波形は、正常な脈拍を前もって15秒間ウィンドウにおいて平均化することによって取得することができる。ウィンドウも、また、心臓拍動において測定され得る。15秒間心臓拍動ウィンドウといったものである。
いくつかの実施例において、検討される脈拍に対する脈拍サイクル波形は、QRSピークのRの観点でQRS位置に基づいて選択される。脈拍サイクル波形は、[R−f、R+g]の範囲において取得される。ここで、fとgは、時間間隔である。時間間隔は、固定であっても、または、動的に決定されてもよい。例えば、fとgは、大人の患者に対して、それぞれ500msと800msであってよい。別の実施例として、fとgは、例えば、患者の脈拍に基づいて決定され得る。例えば、正常な心拍数より速いときは実施例よりも短く、正常な心拍数より遅いときは実施例よりも長くといったことである。
Q、J検出器24は、受け取った脈拍サイクル波形に基づいて、それぞれのリードの信号品質を評価する。「良好な」信号品質を伴うリードが、マルチチャンネル波形長変換(WLT:wave length trasform)のために使用され、結合された波形長信号(CWLS)を生じる。QとJポイントは、次に、CWLSから決定される。
図3を参照すると、Q、J検出器24が説明されている。Q、J検出器24は、N個のリードそれぞれから検討中の脈拍に対する脈拍サイクル波形を受け取る。一つまたはそれ以上の信号品質評価器(SQA:signal quality assessor)のコンポーネント26、26、・・・、26は、次に、それぞれのリードの信号品質を評価する。図示するように、それぞれのリードは、SQAコンポーネント(SQA)を含んでいる。しかしながら、マルチリードSQAコンポーネントも、また、考慮されることが理解されるべきである。例えば、一つのSQAコンポーネントが、全てのリードのために使用され得る。リードに対する信号品質は、典型的に、以下の特徴の一つまたはそれ以上に関して評価される。すなわち、a)高周波数ノイズレベル、b)低周波数ノイズレベル、および、c)QRS振幅、である。
リードの高周波数ノイズ(HFN)レベルは、QRS持続時間を除外して、対応する脈拍サイクル波形の2階微分を合計することにより測定される。一つの実施例は、数式(1)によって与えられる。
Figure 0006381444
ここで、dx[i]=ecg[i]−(2×ecg[i−1])+ecg[i−2]であり、iはサンプルにおける時間インデックスであり、ecg[i]は、脈拍サイクル波形のi次のサンプルである。w1、w2、w3、および、w4は、サンプル単位における時間ウィンドウの境界であり、以下のように定義される。w1=R+2−(304ms/si)、w2=R−(96ms/si)、w3=R+(96ms/si)、w4=R+(304ms/si)。Rは脈拍サイクル波形のQRSピーク時間(サンプル単位での)であり、siはms単位でのサンプリング間隔である。特に、w1とw2が、Rに関する第1の間隔を定め、w3とw4が、Rに関する第2の間隔を定めるものである。
リードの低周波数ノイズ(LFN)レベルは、スムーズ化された脈拍サイクル波形を再帰的に合計することにより測定される。数式(2)は、一つの実施例を与えるものである。
Figure 0006381444
ここで、y[i]=y[i−1]+(ecg[i]−y[i−1])/Lであり、iは時間インデックスであり、ecg[i]は、脈拍サイクル波形のi次のサンプルである。w1とw2は、サンプル単位における時間ウィンドウの境界であり、以下のように定義される。w1=R−(304ms/si)、w2=R+(304ms/si)。Rは脈拍サイクル波形のQRSピーク時間(サンプル単位での)であり、L=128ms/si、y[w1−1]は以前にスムーズ化された値、そして、siはms単位でのサンプリング間隔である。再度ではあるが、w1とw2は、Rに関する間隔を定めている。
リードのQRS振幅(QRS_amp)は、QRS領域における脈拍サイクル波形の値の間での最大差異をとることによって決定される。別の言葉で言えば、QRS領域における脈拍サイクル波形の最小値と最大値が決定される。QRS振幅は、すると、こうした極値間での差異である。いくつかの実施例において、QRS領域は、[R−96ms、R+96ms]であり、正常脈拍に対するQRS持続時間の全てをカバーする。
上記のHFN、LFN、および、QRS_ampは、サンプリング間隔とリード上の解像度に従って、物理的単位に正規化される。いくつかの実施例において、高周波数ノイズ閾値(hfn_thr)、低周波数ノイズ閾値(lfn_thr)、および、QRS振幅閾値(qrs_amp_thr)が、例えば、実験に基づいて確立される(例えば、qrs_amp_thrは0.4mVに設定される)。そして、正規化されたHFN、LFN、および、QRS_ampは、それぞれ、hfn_thr、lfn_thr、および、qrs_amp_thrと比較される。HFNがhfn_thrより小さく、LFNがlfn_thrより小さく、かつ、QRS_ampがqrs_amp_thrより大きい場合にだけ、リードは「良好(good)」であるとラベル付される。そうでなければ、リードは「貧弱(poor)」であるとラベル付される。リードは、小さな高周波数ノイズ、小さな低周波数ノイズ、および、大きなQRS結合振幅に対する他のクライテリアに基づいて、ラベル付けされてもよいことが理解されよう。
リードが良好な信号品質を有するものと決定された場合、対応するSQAコンポーネントは、リードを波形長変換(WLT)コンポーネントへと導く。その点について、SQAコンポーネント26、26、・・・、26は、リードに対するゲートとして見ることができる。WLTコンポーネント28は、SQAコンポーネント26、26、・・・、26から受け取ったM個のリードに対する波形を、一つのチャンネル結合波形長信号(CWLS)に変換する。特に、Mは、Nより小さいか、等しいものである。そして、CWLSを介してQRSオンセットとオフセットの検出が行われ、考慮される脈拍に対するQRSオンセット(Qポイント)とQRSオフセット(Jポイント)を生成する。
QRSのピークRによってマーク付けた考慮される脈拍に対して、CWLS[i]は、大人の患者に対する実施例として、数式(3)に従って、[R−200ms、R+200ms]の領域において計算される。
Figure 0006381444
ここで、iは時間インデックスであり、wは:w=(144ms/Δt)として定義されるサンプル単位におけるウィンドウである。Δyj、k=ecg[k]−ecg[k−1]であり、ecg[k]は、サンプルKでのリードjの波形である。Mは、リードの数量であり、Δtは、msでのサンプリング間隔である。特に、数式(3)において使用されるM個のリードは、「良好」なものとラベル付けされたリードである。従って、ノイズが多く、及び/又は、振幅の小さなリードは除外され、品質低下の無いCWLSが保証される。
図4には、CWLS、および、対応する8個の異なるリードの8個のECG信号の対比の実施例が提供される。上から下に1番から8番のトレースは、それぞれ、リードII、V、III、V、V、V、V、および、Vの観点における入力ECG信号である。下のトレースは、8個のリードのうち7個から生じたCWLSである。リードIIは、QRS振幅が低い(つまり、0.25mV<qrs_amp_thr)ことによる貧弱な信号品質のために除外されている。
CWLSの上昇領域は、理論的及び数学的にQRS持続時間に対応している。従って、CWLSの上昇領域に係るオンセットおよびオフセットの位置は、それぞれに、QRSのオンセット(Q)とオフセット(J)に対応している。検出コンポーネント30は、以降に説明されるオンセットとオフセットの検出のためのアプローチを実施する一つまたはそれ以上のルールを含んでいる。
CWLSの上昇領域のオンセットを位置決めするための一つのアプローチは、[R−200ms、R+200ms]の領域においてCWLSの最大値(Lt_max)を見つけることを含んでいる。次に、CWLS上の2つのポイントを結ぶ仮想線が描かれる。一つのポイントは、R−200msのポイントであり、他のポイントは、Mid_Lt_Pointでのポイントである。Mid_Lt_Pointは、CWLSが最初にLt_max/2と等しいか大きくなるポイントである。Mid_Lt_Pointは、R−200msからのフォワードサーチを用いて決定され得る。そして、CWLSと[R−200ms、Mid_Lt_Point]の領域における仮想線との間の最大距離を伴う時点が決定される。この時点が、Qポイントに対応するものである。いくつかの実施例においては、最終Qポイントに達するためにオフセットが適用される。
CWLSの上昇領域のオフセットを位置決めするための一つのアプローチは、CWLS上をバックワード形式で、Lt_maxからMid_Lt_Pointまで、CWLSが最初にLt_maxの99%に等しいか小さくなる時点を見つけることを含んでいる。この時点が、Jポイントに対応するものである。いくつかの実施例においては、最終Jポイントに達するためにオフセットが適用される。
図5には、Q、J検出の結果が脈拍ごとに示されている。上から下に、ECG信号は、それぞれ、リードII、V、III、V、V、V、V、および、Vに対応している。実施例におけるそれぞれの脈拍のQとJポイントは、CWLSを介して、全てのECG信号から検出される。さらに、QとJポイントは、それぞれの脈拍のそれぞれのリード上でラベル付されている。
図2に戻って参照すると、任意的なST測定器32は、Q、J検出器24からQとJポイントを受け取る。それぞれのリードに対して、ST測定器32は、Qポイントから等電点を決定し、等電点、Jポイント、および、J+xポイントにおいて信号電圧を測定する。等電点は、Qポイントにオフセットyを適用することにより得られる(つまり、Iso=Q−y)。オフセットyは、典型的には、大人の患者に対して20msである。そして、JポイントでのST部レベル(ST_J)及びJ+xポイントでのST部レベル(ST_Jx)が、それぞれのリードに対して計算される。
いくつかの実施例において、JおよびJ+xポイントでのST部レベルは、それぞれに、数式(4)および数式(5)を使用して計算される。
Figure 0006381444
Figure 0006381444
ここで、jはリード番号であり、ST_Jはリードj上のJポイントでのST部レベルであり、xは選択された時間間隔であり、典型的には60または80msである。ST_Jxはリードj上のJ+xポイントでのST部レベルであり、ecg[J]およびecg[J+x]は、それぞれ、JポイントおよびJ+xポイントでのリードjの信号電圧であり、ecg[Iso]は、等電点でのリードjの信号電圧である。図6には、JおよびJ+xポイントでのST部レベルを計算するために使用される、Iso(等電点)、Jポイント、および、J+xポイントが示されている。
他の実施例においては、等電点、Jポイント、および、J+xポイントを取り囲む小さなウィンドウにおけるECG信号のメディアン値(または中央値)を使用して、JおよびJ+xポイントでのST部レベルが計算される。このことは、等電点、Jポイント、および、J+xポイントでの一つのポイントのECG信号値を使用することと対照的である。小さなウィンドウとして道理にかなった大きさは40msであり、ウィンドウは、等電点、Jポイント、および、J+xポイントで中心決めされるべきである。
等電点はQポイントに基づいて決定され、Qポイントは考慮されるそれぞれの脈拍に係る動的に検出されたQRSオンセットであるので、等電点は、たとえQRS形態が変化しても信頼性があり安定している。Jポイントは、考慮されるそれぞれの脈拍のQRSオフセットに対して直接的に決定されるので、Jポイントは、QRS形態の変化に対して動的に適応することができる。
任意的なSTモニター34は、ST_JおよびST_Jx値を受け取り、それらを警告クライテリアと比較し、警告クライテリアが満たされた場合にSTアラームを発行する。例えば、ST_JおよびST_Jx値が、既定の範囲の外側に落ち込んだ場合に、アラームを発行することができる。警告クライテリアは、臨床ガイドライン、及び/又は、ST部分上昇型心筋梗塞(STEMI)クライテリアに従って設定されてよい。STアラームは、臨床医にイベントを知らせるために適切に生成される。
任意的なQRS幅測定器36は、Q、J検出器24からQおよびJポイントを受け取り。それぞれのリードに対して、QおよびJポイントからQRS幅(QRSw)が計算される。別の言葉で言えば、QポイントとJポイントの位置の差異が計算される。そして、QRS幅は、脈拍分類のために使用される。脈拍タイプを区別することは繊細な機能である。超心室拍動および心室拍動といったものである。追加的または代替的に、QRS幅は、QRS幅モニター38によって使用され得る。QRS幅モニター38は、QRS幅を警告クライテリアと比較して、警告クライテリアが満たされた場合にQRSアラームを発行する。QRS幅の傾向は、心筋の脱分極(myocardial depolarization)の緩やかな延長、心筋状態の悪化を示すもの、を探知するために使用され得る。
EAS14のコンポーネントは、レシーバー16、プリプロセッサ18、脈拍セレクター20、Q、J検出器24、ST測定器32、STモニター34、QRS幅測定器36、および、QRS幅モニター38を含めて、ハードウェア、ソフトウェア、または、それらの組み合わせにおいて実施され得る。EAS14のコンポーネントがソフトウェアとして実施される場合、EAS14のプロセッサ40は、メモリー42上に保管された、コンピューターで実行可能なインストラクションを実行し、コンポーネントを実施する。例えば、Q、J検出器24は、メモリー24上に保管され、プロセッサ40によって実行される、コンピューターで実行可能なインストラクションとして実施され得る。
システム10は、集中治療室(ICU)、手術室(OR)、一般病棟、患者の自宅、等において、患者をモニターするために配置され得る。さらに、システム10は、J+0でのST測定のECGモニタリングを用いて局所貧血症患者の臨床的効果を調査するために、臨床的研究において使用され得る。さらに、いくつかの実施例において、システム10は統合される。例えば、ソース12とEAS14が結合される。
図7には、心電図のST部レベル及び/又はQRS幅を測定する方法50が提供されている。方法50は、EAS14によって適切に実行され、今までに説明したEAS14のコンポーネントに対応する構成要素のステップが以降に説明される。さらに、方法50は、ソフトウェア、ハードウェア、または、それらの組み合わせとして実施され得る。
方法50は、心電図のN個のECG波形をプリプロセス(前処理)52することを含んでいる。ECG波形は、異なるリードに対応している。プリプロセス52は、それぞれの脈拍を検出すること、および、分類することを含んでおり、ノイズを除去するために波形を任意的にフィルターすることも同様に含んでいる。検討する脈拍が、波形の中から選択される54。検討する脈拍は、例えば、ユーザー入力デバイス22を使用して、手動で特定することができ、または、一つまたはそれ以上のルールに従って自動的に特定することができる。
検討中の脈拍に対して、脈拍サイクル波形におけるQポイントおよびJポイントが検出される56。そうした過程においては、良好な信号品質を伴うリードに対応する脈拍サイクル波形だけが、検出のために使用される。さらに、良好な信号品質を伴う脈拍サイクル波形は、結合波形長信号へとマージされ、検出のために使用される。
QポイントとJポイントは、Jポイント及び/又はJ+xポイントでのST部レベルを測定するために任意的に使用される。そして、ST部レベルが警告クライテリアと一致するかどうかに基づいて、STアラームが発行される60。加えて、QポイントとJポイントは、QRS幅を測定するために任意的に使用され62、次に脈拍分類及び/又は警告に適用される64。後者に関して、QRS幅アラームは、QRS幅が警告クライテリアと一致するかどうかに基づいて、条件的に発行される。
ここにおいて使用されるように、メモリーは、一つまたはそれ以上の有形のコンピューターで読取り可能な媒体、磁気ディスク又は他の磁気記録媒体、光ディスク又は光記録媒体、ランダムアクセスメモリー(RAM)、読み出し専用メモリー(ROM)、または、他の電子メモリーデバイス又はチップ又は動作可能に相互接続されたチップセット、インターネット/イントラネットまたはローカルエリアネットワークを介して保管されたインストラクションをそこから取り出すことができるインターネット/イントラネットサーバー、等を含んでいる。さらに、ここにおいて使用されるように、プロセッサは、一つまたはそれ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラー、グラフィック処理ユニット(GPU)、特定用途集積回路(ASIC)、フィールドでプログラム可能なゲートアレイ(FPGA)、等を含んでいる。ユーザー入力デバイスは、一つまたはそれ以上のマウス、キーボード、タッチスクリーンディスプレイ、一つまたはそれ以上のボタン、一つまたはそれ以上のスイッチ、一つまたはそれ以上のトグル、等を含んでいる。
テスト結果
ST部レベルを測定する前出のアプローチが、平均化された正常な脈拍のECG信号を使用してテストされた。平均化された正常な脈拍は、15秒間のウィンドウにおいて個々の正常な脈拍の脈拍サイクル波形を平均化することによって得られる。ECG信号は、欧州心臓学会(ECS)のST−Tデータベースから得られる。ECSのST−Tデータベースは、90個のECG記録を含んでおり、それぞれがJ+80msでのST部レベルに対する心臓専門医の注釈を伴った2チャンネルのECG信号を2時間分含んでいる。
図8は、上記のアプローチを使用して達成されたJ+80msでのST測定値と、ECSのST−Tデータベースにおける90個の記録に係る両方のECGチャンネルに対する心臓専門医の注釈を対比して示している散布図である。縦軸は、心臓専門医からのST値であり、横軸は、ST測定値である。散布図から、相関係数は96.3であり、線形回帰(LR)傾きは0.98、LRオフセットは−2.96(μV)である。図9は、J+80msでのST測定値と心臓専門医の注釈との差異に係るヒストグラムが示されている。平均差(μ)、標準偏差(std)、および、平均絶対差異(μ(abs))は、それぞれ、1.83、67.9、および、49.1(μV)である。
ST部レベルを測定する前出のアプローチが、さらに、経皮的冠動脈形成術(PTCA)データベースから得られたECG信号を使用してテストされた。データベースは、60個のECG記録を有しており、それぞれが、PTCAプロシージャを受けた大人の患者から記録された12個のリードのECG信号を含んでいる。記録の持続時間は、2分20秒から16分の範囲である。それぞれの記録に対して、信号のST状況に従って、2つの1分間のECG領域が選択される。第1の領域は、STベースラインのためのものであり、第2の領域は、ST上昇(または加工)を伴うものである。それぞれの記録のこれら2つの1分間領域において、心臓専門医がそれぞれの脈拍のQおよびJポイントを注釈している。心臓専門医が注釈したQおよびJポイントに従って、それぞれの脈拍に対するJ+0およびJ+60(ms)でのST値が生成され、15秒間のウィンドウにおいて平均化されて、JおよびJ+60での参照ST注釈を生成する。JおよびJ+60での参照ST注釈は、PCTAデータベースの60個の記録に対して、次に、J+0およびJ+60でのST測定値と、それぞれに比較される。
図10は、J+0でのST測定値とJ+0での参照ST注釈を対比して示している散布図である。相関係数、LR傾き、LRオフセットは、それぞれ、97.11、0.97、および+0.44(μV)である。図11は、J+0でのST測定値とJ+0での参照ST注釈との差異に係るヒストグラムが示されている。平均差(μ)、標準偏差(std)、および、平均絶対差異(μ(abs))は、それぞれ、−1.27、37.67、および、24.86(μV)である。
図12は、J+60でのST測定値とJ+60での参照ST注釈を対比して示している散布図である。相関係数、LR傾き、LRオフセットは、それぞれ、96.63、0.93、および−3.19(μV)である。図13は、J+60でのST測定値とJ+60での参照ST注釈との差異に係るヒストグラムが示されている。平均差(μ)、標準偏差(std)、および、平均絶対差異(μ(abs))は、それぞれ、−5.23、23.62、および、13.87(μV)である。
QRS幅を測定する前出のアプローチが、さらに、MIT−BIT不整脈データベースからのECG信号を使用してテストされた。2チャンネルの23個の記録、種々の脈拍タイプを伴う30分間のECG信号、正常な脈拍、心室性期外収縮(PVC)、および、脚ブロック(BBB)といったタイプのもの、が、MIT−BIT不整脈データベースから選択される。これら23個の記録のそれぞれに対して、心臓専門医が60秒間のECGエピソード(典型的には、10分後から開始する)上にQRSオンセットおよびオフセットを注釈し、参照QRS幅が生成される。これら23個のQRS幅、2チャンネルの記録が、次に、脈拍ごとのやり方で測定される。あらゆる脈拍タイプ(つまり、単に正常な脈拍でなく)が検討される。それぞれの脈拍から結果として生じるQRS幅測定値は、対応する参照QRS幅と比較される。1790個の脈拍の全体が結果において考慮される。図14を参照すると、測定されたQRS幅に対する参照QRS幅に係る散布図が提供されている。図15は、測定されたQRS幅と参照QRS幅との間での差異に係るヒストグラムである。平均差と標準偏差は、それぞれ、6.18msと13.91msである。
QRS幅を測定する前出のアプローチが、さらに、PTCAデータベースから得られるECG信号を使用してテストされた。PTCAデータベースの記録の半分(つまり、30個の記録)が使用された。そして、脈拍ごとのやり方において、全てのチャンネルを使用して、これら30個の記録のQRS幅が測定される。それぞれの脈拍から結果として生じるQRS幅測定値は、対応する参照QRS幅と比較される。4528個の脈拍の全体が結果において考慮される。図16は、測定されたQRS幅と参照QRS幅とを対比して示している散布図である。図17は、測定されたQRS幅と参照QRS幅との間での差異に係るヒストグラムである。平均差と標準偏差は、それぞれ、7.828msと9.82msである。
J+80、J+60、および、J+0でのST測定のテスト結果は、優秀で満足なものである。特に、J(つまり、J+0)でのST測定の満足のいくパフォーマンスは、JでのST部レベルのリアルタイムなモニタリングを保証することに注目すべきであり、最新の繊細なSTEMIクライテリアの使用を可能にしている。さらに、上記のQRS幅テスト結果は、QRS幅検出の優秀で満足なパフォーマンスを示している。
本発明は、好適な実施例に関して説明されてきた。前述の詳細な説明を読んで理解すれば、他者が本発明の変形又は代替を見出し得る。そうした変形又は代替の全ては、それらが添付の特許請求の範囲又は均等物の範囲内から生じている限り、本発明に含まれるものと理解されるように意図されている。

Claims (13)

  1. 心電図(ECG)のQポイントとJポイントを決定するためのシステムであって:
    前記システムは、少なくとも一つのプロセッサを有し:
    前記プロセッサは、
    複数のECGリードから選択された脈拍に対する脈拍サイクル波形を受け取り、
    前記複数のECGリードそれぞれの信号品質を決定し、
    前記複数のECGリードのうち既定の信号品質クライテリアを満たしているか又は超えている信号品質を伴うECGリードだけを選択使用して前記脈拍サイクル波形を結合し、
    前記結合された脈拍サイクル波形上でQポイントとJポイントを特定する、
    ようにプログラムされており、
    QポイントとJポイントの前記特定は、
    前記結合された脈拍サイクル波形の最大値の半分の値を伴う前記結合された脈拍サイクル波形に係るQRS複合波上のポイントを決定すること、
    前記決定されたポイントから前記結合された脈拍サイクル波形上の第2のポイントまで延びている仮想線を生成すること、および、
    前記仮想線と前記結合された脈拍サイクル波形との間の最大距離を伴う時点を決定すること、を含み、
    前記時点は、前記Qポイントに対応している、
    ことを特徴とするシステム。
  2. 前記決定は、それぞれのECGリードに対して、
    高周波数ノイズレベル(HFN)、低周波数ノイズレベル(LHN)、および、QRS振幅、のうち少なくとも一つを決定すること、を含む、
    請求項1に記載のシステム。
  3. 前記結合は、波形長変換(WLT)を使用する、
    請求項1または2に記載のシステム。
  4. QポイントとJポイントの前記特定は、
    前記結合された脈拍サイクル波形の最大値を伴う前記結合された脈拍サイクル波形上のポイントから、バックワード方向に、前記最大値の約99%に等しいか又は小さい第2のポイントを見つけること、を含み、
    前記第2のポイントは、前記Jポイントに対応している、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載のシステム。
  5. 前記プロセッサは、さらに、
    前記Qポイントと前記Jポイントから前記脈拍のST部レベル、および、
    前記Qポイントと前記Jポイントから前記脈拍のQRS幅、
    のうち少なくとも一つを決定する、ようにプログラムされている、
    請求項1乃至のいずれか一項に記載のシステム。
  6. 前記脈拍サイクル波形は、心電計から受け取るものである、
    請求項1乃至のいずれか一項に記載のシステム。
  7. 心電図分析システム(EAS)において、ソースから受け取る心電図(ECG)について、QポイントとJポイントを決定するための方法であって、
    複数のECGリードから選択された脈拍に対する脈拍サイクル波形を受け取るステップと、
    前記複数のECGリードそれぞれの信号品質を決定するステップと、
    前記複数のECGリードのうち既定の信号品質クライテリアを満たしているか又は超えている信号品質を伴うECGリードだけを選択使用して前記脈拍サイクル波形を結合するステップと、
    前記結合された脈拍サイクル波形上でQポイントとJポイントを特定するステップと、
    を含み、
    QポイントとJポイントを前記特定するステップは、
    前記結合された脈拍サイクル波形の最大値の半分の値を伴う前記結合された脈拍サイクル波形に係るQRS複合波上のポイントを決定するステップと、
    前記決定されたポイントから前記結合された脈拍サイクル波形上の第2のポイントまで延びている仮想線を生成するステップと、
    前記仮想線と前記結合された脈拍サイクル波形との間の最大距離を伴う時点を決定するステップと、を含み、
    前記時点は、前記Qポイントに対応している、
    ことを特徴とする方法。
  8. 前記決定するステップは、それぞれのECGリードに対して、
    高周波数ノイズレベル(HFN)、低周波数ノイズレベル(LHN)、および、QRS振幅、のうち少なくとも一つを決定するステップと、を含む、
    請求項に記載の方法。
  9. 前記結合するステップは、波形長変換(WLT)を使用する、
    請求項7または8に記載の方法。
  10. QポイントとJポイントを前記特定するステップは、
    前記結合された脈拍サイクル波形の最大値を伴う前記結合された脈拍サイクル波形上のポイントから、バックワード方向に、前記最大値の約99%に等しいか又は小さい第2のポイントを見つけるステップと、を含み、
    前記第2のポイントは、前記Jポイントに対応している、
    請求項7乃至9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記方法は、さらに、
    前記Qポイントと前記Jポイントから前記脈拍のST部レベル、および、
    前記Qポイントと前記Jポイントから前記脈拍のQRS幅、
    のうち少なくとも一つを決定するステップと、を含む、
    請求項7乃至10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 請求項7乃至11のいずれか一項に従った前記方法を実行するようにプログラムされている、一つまたはそれ以上のプロセッサ。
  13. 請求項7乃至11のいずれか一項に従った前記方法を実行するように、一つまたはそれ以上のプロセッサをコントロールするソフトウェアを伝搬する、非一時的なコンピューターで読取り可能な媒体。
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