JP6600154B2 - Biological signal processing apparatus and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は生体信号処理装置およびその制御方法に関し、特には生体信号に重畳したアーチファクトを減少させる技術に関する。 The present invention relates to a biological signal processing apparatus and a control method thereof, and more particularly to a technique for reducing artifacts superimposed on a biological signal.
例えば心電（ＥＣＧ）信号、脈波信号、ＳｐＯ２信号、筋電信号のような生体信号を測定した場合、測定された生体信号には体動によるオフセットや外来ノイズなど（アーチファクト）が重畳している場合がある。そのため、解析などを行う前に、生体信号に重畳したアーチファクトの低減処理が行われる。 For example, when a biological signal such as an electrocardiogram (ECG) signal, a pulse wave signal, an SpO 2 signal, or a myoelectric signal is measured, an offset or extraneous noise (artifact) due to body movement is superimposed on the measured biological signal. There may be. Therefore, before the analysis or the like is performed, the artifacts superimposed on the biological signal are reduced.
この低減処理では、生体信号にアーチファクトを低減する特性を有するフィルタを適用するのが一般的である。フィルタには、アーチファクトを低減するだけでなく、生体信号の特徴を損なわないことも要求される。この２つの要求を満たすべく、特許文献１では、遅延対称ＦＩＲフィルタを用いる構成が提案されている。 In this reduction processing, it is common to apply a filter having a characteristic of reducing artifacts to a biological signal. Filters are required not only to reduce artifacts, but also to preserve the characteristics of biological signals. In order to satisfy these two requirements, Patent Document 1 proposes a configuration using a delay symmetric FIR filter.
しかしながら、ＦＩＲフィルタは線形フィルタであり、生体信号の周波数帯域と重複する周波数のアーチファクトを低減しようとすると生体信号を歪ませてしまうという問題があった。これは線形フィルタの原理的な特性であり、回避することはできない。従って、生体信号を歪ませないことを優先するか、生体信号の周波数帯域と重複する周波数のアーチファクトの低減を優先するかを選択せざるを得なかった。 However, the FIR filter is a linear filter, and there is a problem that the biological signal is distorted if an attempt is made to reduce an artifact of a frequency overlapping the frequency band of the biological signal. This is a principle characteristic of a linear filter and cannot be avoided. Therefore, it has been necessary to select whether to give priority to not distorting the biological signal or to give priority to reduction of artifacts in the frequency overlapping the frequency band of the biological signal.
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みなされたものであり、生体信号の周波数帯域と重複する周波数のアーチファクトの低減と、生体信号の歪み抑制とを両立できる生体信号処理装置およびその制御方法の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and provides a biological signal processing apparatus and a control method thereof that can achieve both reduction of artifacts of frequencies overlapping the frequency band of biological signals and suppression of distortion of biological signals. The purpose is to provide.
上述の目的は、生体信号の基線動揺および／またはノイズを抑制する生体信号処理装置であって、生体信号を取得する取得手段と、生体信号にモフォロジーフィルタを適用するフィルタ処理手段と、モフォロジーフィルタの構造要素長を決定する決定手段と、決定手段が決定した構造要素長を用いてフィルタ処理手段がモフォロジーフィルタを適用した生体信号を、モフォロジーフィルタを適用する前の生体信号から減算して出力する出力手段と、を有し、決定手段は、構造要素長を動的に決定することを特徴とする生体信号処理装置によって達成される。 An object of the present invention is a biological signal processing apparatus that suppresses baseline fluctuation and / or noise of a biological signal, and includes an acquisition unit that acquires a biological signal, a filter processing unit that applies a morphological filter to the biological signal, and a morphological filter Determining means for determining the structural element length, and an output for subtracting the biological signal to which the filter processing means applies the morphology filter using the structural element length determined by the determining means from the biological signal before the morphology filter is applied And the determining means is achieved by a biological signal processing apparatus characterized in that the structural element length is dynamically determined.
以上の構成により、本発明によれば、生体信号の周波数帯域と重複する周波数のアーチファクトの低減と、生体信号の歪み抑制とを両立できる生体信号処理装置およびその制御方法を提供できる。 With the above configuration, according to the present invention, it is possible to provide a biological signal processing apparatus and a control method thereof that can achieve both reduction in artifacts of frequencies overlapping with the frequency band of the biological signal and suppression of distortion of the biological signal.
以下、図面を参照して本発明の例示的な実施形態について詳細に説明する。
●（生体信号処理装置の構成）
図１は、本発明の実施形態に係る生体信号処理装置１００の機能構成例を示すブロック図である。なお、本実施形態の生体信号処理装置１００は生体信号の測定、記録機能を有しておらず、予め他の装置で測定、記録された生体信号に対して処理を行うものとする。しかし、本実施形態の生体信号処理装置１００が生体信号を測定したり記録したりする装置の一部であってもよい。この場合、処理能力等の条件が許せば、生体信号の測定および／または記録と並行して以下の処理を行ってもよい。
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
● (Configuration of biological signal processing device)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a functional configuration example of a biological signal processing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. Note that the biological signal processing apparatus 100 of the present embodiment does not have a biological signal measurement and recording function, and performs processing on biological signals measured and recorded in advance by another apparatus. However, the biological signal processing apparatus 100 of this embodiment may be a part of an apparatus that measures or records a biological signal. In this case, if conditions such as processing capability allow, the following processing may be performed in parallel with the measurement and / or recording of the biological signal.
記憶装置１９０は、予め測定された生体信号を保持する装置であり、例えば内蔵された不揮発性メモリ、ＳＳＤ、ハードディスクドライブ等や、メモリカードやＵＳＢメモリのような着脱可能な記憶装置であってよい。記憶装置１９０は生体信号処理装置１００に内蔵されていなくてもよく、例えばネットワーク上のサーバなど、生体信号処理装置１００が生体信号を取得可能であれば、装置の構成や場所は任意である。 The storage device 190 is a device that holds a biological signal measured in advance, and may be, for example, a built-in nonvolatile memory, SSD, hard disk drive, or a removable storage device such as a memory card or USB memory. . The storage device 190 may not be built in the biological signal processing apparatus 100. For example, if the biological signal processing apparatus 100 can acquire a biological signal, such as a server on a network, the configuration and location of the apparatus are arbitrary.
Ｉ／Ｆ部１２０は記憶装置１９０から生体信号を取得するためのインターフェースであり、記憶装置１９０の種類に応じた構成を有する。例えば記憶装置１９０がネットワーク上の装置であればネットワークインターフェイスであり、記憶装置１９０がメモリカードであればカードリーダであり、記憶装置１９０が外付けのハードディスクドライブであればＵＳＢ等のインターフェースである。 The I / F unit 120 is an interface for acquiring a biological signal from the storage device 190 and has a configuration corresponding to the type of the storage device 190. For example, if the storage device 190 is a device on the network, it is a network interface, if the storage device 190 is a memory card, it is a card reader, and if the storage device 190 is an external hard disk drive, it is an interface such as a USB.
バッファメモリ１３０はＩ／Ｆ部１２０を通じて記憶装置１９０から取得した生体信号を一時的に記憶する。バッファメモリ１３０は揮発性もしくは不揮発性の半導体メモリであってもよいし、ハードディスクドライブのような大容量の記憶装置であってもよい。 The buffer memory 130 temporarily stores the biological signal acquired from the storage device 190 through the I / F unit 120. The buffer memory 130 may be a volatile or non-volatile semiconductor memory, or may be a large capacity storage device such as a hard disk drive.
平均波形算出部１４０は、バッファメモリ１３０に記憶されている生体信号を所定期間にわたって平均して平均信号（平均波形）を算出し、フィルタ処理部１５０に供給する。平均波形算出部１４０は必須ではないが、平均波形算出部１４０があると、フィルタ処理部１５０が生体信号に適用するフィルタのパラメータを精度良く決定する上で有利である。 The average waveform calculation unit 140 calculates the average signal (average waveform) by averaging the biological signals stored in the buffer memory 130 over a predetermined period, and supplies the average signal to the filter processing unit 150. The average waveform calculation unit 140 is not essential, but the presence of the average waveform calculation unit 140 is advantageous for the filter processing unit 150 to accurately determine the parameters of the filter applied to the biological signal.
フィルタ処理部１５０はバッファメモリ１３０に記憶されている生体信号に、構造要素長決定部１６０が決定した長さの構造要素を用いたモフォロジーフィルタ処理を適用し、生体信号に重畳したアーチファクト成分の推定信号を生成する。フィルタ処理部１５０でフィルタ処理した生体信号は、構造要素長決定部１６０、減算器１７０、および減算器１８０に出力される。モフォロジーフィルタ処理の詳細については後述する。 The filter processing unit 150 applies morphological filter processing using the structural element having the length determined by the structural element length determination unit 160 to the biological signal stored in the buffer memory 130, and estimates an artifact component superimposed on the biological signal. Generate a signal. The biological signal filtered by the filter processing unit 150 is output to the structural element length determination unit 160, the subtractor 170, and the subtractor 180. Details of the morphology filter processing will be described later.
構造要素長決定部１６０は、フィルタ処理部１５０が生体信号に適用するモフォロジーフィルタで用いるべき構造要素長を、フィルタ処理部１５０でフィルタ処理された生体信号と元の生体信号とに基づいて決定する。構造要素長決定部１６０は、決定した構造要素長をフィルタ処理部１５０に設定する。構造要素長の決定方法の詳細については後述する。 The structural element length determination unit 160 determines the structural element length to be used in the morphological filter applied to the biological signal by the filter processing unit 150 based on the biological signal filtered by the filter processing unit 150 and the original biological signal. . The structural element length determination unit 160 sets the determined structural element length in the filter processing unit 150. Details of the method of determining the structural element length will be described later.
また、減算器１７０は、バッファメモリ１３０の出力と、フィルタ処理部１５０の出力との差分を求める。減算器１７０により、生体信号の同一区間について、フィルタ処理前とフィルタ処理後の差分信号が得られる。減算器１７０の出力はＩ／Ｆ部１２０を通じて記憶装置１９０に出力されたり、生体信号処理装置１００内で保存もしくは記録されたりする。 The subtractor 170 obtains a difference between the output of the buffer memory 130 and the output of the filter processing unit 150. The subtracter 170 obtains a difference signal before and after the filtering process for the same section of the biological signal. The output of the subtracter 170 is output to the storage device 190 through the I / F unit 120, or stored or recorded in the biological signal processing device 100.
減算器１８０は、平均波形算出部１４０の出力と、フィルタ処理部１５０の出力との差分を求める。減算器１８０により、生体信号の同一区間について、平均信号とフィルタ処理後の信号との差分信号が得られる。減算器１８０の出力は構造要素長決定部１６０に供給され、構造要素長の決定処理に用いられる。 The subtractor 180 obtains a difference between the output of the average waveform calculation unit 140 and the output of the filter processing unit 150. The subtracter 180 obtains a difference signal between the average signal and the filtered signal for the same section of the biological signal. The output of the subtracter 180 is supplied to the structural element length determination unit 160 and used for the structural element length determination processing.
制御部１１０は例えばＭＰＵのようなプログラマブルプロセッサである。不揮発性メモリに記憶された制御プログラムを揮発性メモリに展開して実行し、他の機能ブロックの動作を制御することにより、後述する処理を始めとした生体信号処理装置１００の処理全体を制御ならびに管理する。なお、平均波形算出部１４０、フィルタ処理部１５０、および構造要素長決定部１６０の少なくとも一部を、制御部１１０がソフトウェアを実行することにより実現してもよい。 The control unit 110 is a programmable processor such as an MPU. The control program stored in the non-volatile memory is expanded and executed in the volatile memory, and the operation of other functional blocks is controlled to control the entire processing of the biological signal processing apparatus 100 including the processing described later. to manage. Note that at least a part of the average waveform calculation unit 140, the filter processing unit 150, and the structural element length determination unit 160 may be realized by the control unit 110 executing software.
なお、図１には記載していないが、生体信号処理装置１００はユーザが各種の指示や設定を入力するための操作部や、生体信号処理装置１００の動作状態や各種情報を表示するための表示部などを有してもよい。操作部はスイッチ、ボタン、キーボード、マウス、タッチパネル等の入力デバイスの１つ以上を備え、表示部は液晶表示装置（ＬＣＤ）やＬＥＤなどを備えてよい。 Although not shown in FIG. 1, the biological signal processing device 100 displays an operation unit for a user to input various instructions and settings, an operation state of the biological signal processing device 100, and various information. You may have a display part. The operation unit may include one or more input devices such as a switch, a button, a keyboard, a mouse, and a touch panel, and the display unit may include a liquid crystal display (LCD), an LED, and the like.
●（全体動作）
図２は、本実施形態の生体信号処理装置１００の全体的な動作を示すフローチャートである。
Ｓ１０１で制御部１１０は、処理対象の生体信号が記録されたデータファイルをＩ／Ｆ部１２０を通じて記憶装置１９０から取得する。なお、ここで取得するのはデータファイルの全体であっても一部であってもよく、取得量は例えばバッファメモリ１３０の空き容量とデータファイルの大きさとに応じて制御部１１０が適宜決定すればよい。Ｓ１０１で取得するデータファイルは、例えば操作部を通じてユーザから指定されたものであってもよいし、記憶装置１９０に存在するデータファイルから、予め定められた条件によって制御部１１０が自動的に決定したものであってもよい。予め定められた条件とは、例えばファイル名（または拡張子）や作成日時に関するものであってよい。
● (Overall operation)
FIG. 2 is a flowchart showing the overall operation of the biological signal processing apparatus 100 of the present embodiment.
In step S <b> 101, the control unit 110 acquires a data file in which a biological signal to be processed is recorded from the storage device 190 through the I / F unit 120. Here, the data file may be acquired as a whole or a part of the data file, and the acquisition amount is appropriately determined by the control unit 110 according to, for example, the free capacity of the buffer memory 130 and the size of the data file. That's fine. The data file acquired in S101 may be specified by the user through the operation unit, for example, or automatically determined by the control unit 110 from a data file existing in the storage device 190 according to a predetermined condition. It may be a thing. The predetermined condition may relate to, for example, a file name (or extension) or a creation date / time.
Ｓ１０３で制御部１１０は、Ｓ１０１で取得したデータファイルに含まれる生体信号をバッファメモリ１３０に記憶（格納）する。なお、生体信号は予め定められた条件（ビット数およびサンプリングレート）でＡ／Ｄ変換されたデジタルデータとしてデータファイルに記録されているものとする。 In S103, the control unit 110 stores (stores) the biological signal included in the data file acquired in S101 in the buffer memory 130. It is assumed that the biological signal is recorded in the data file as digital data that has been A / D converted under predetermined conditions (number of bits and sampling rate).
Ｓ１０５で制御部１１０は平均波形算出部１４０に対し、平均波形算出処理の開始を指示する。平均波形算出部１４０は、バッファメモリ１３０に記憶された生体信号のうち、古い方から予め定められた連続する複数周期分、あるいは所定時間分を切り出し、平均することにより、平均波形（平均信号）を生成する。例えば生体信号が心電図信号のように周期性を有する場合、平均波形算出部１４０は予め設定されている条件に基づいて生体信号の周期を判別し、１周期ごとの生体信号に分割してから各周期の生体信号を加算平均して平均波形を算出する。周期性を有する生体信号の場合、平均波形算出部１４０は特定の特徴点を基準として位置合わせして加算したのち平均波形を算出する。特徴点は例えば心電信号であればＲ波のピークであってよい。周期性のない生体信号の場合、所定時間を１周期として平均波形を算出すればよい。 In S105, the control unit 110 instructs the average waveform calculation unit 140 to start the average waveform calculation process. The average waveform calculation unit 140 cuts out and averages a plurality of predetermined continuous periods or predetermined time periods from the older one of the biological signals stored in the buffer memory 130, and averages the average waveform (average signal). Is generated. For example, when the biological signal has periodicity such as an electrocardiogram signal, the average waveform calculation unit 140 determines the period of the biological signal based on a preset condition, divides the biological signal into one period, and then An average waveform is calculated by averaging the biological signals of periods. In the case of a biological signal having periodicity, the average waveform calculator 140 calculates an average waveform after aligning and adding a specific feature point as a reference. For example, the feature point may be an R wave peak in the case of an electrocardiogram signal. In the case of a biological signal having no periodicity, an average waveform may be calculated with a predetermined time as one period.
なお、平均波形算出部１４０は、１周期ごとに分割した生体信号のうち、最も古いものを除いて内部で記憶しておき、次に平均波形を算出する際に再利用してもよい。この場合、次に平均波形を算出する際、平均波形算出部１４０は、バッファメモリ１３０から平均波形の算出に用いられていない最新の１周期分の生体信号を読み込み、記憶されている生体信号との平均波形を算出する。 Note that the average waveform calculation unit 140 may store the biological signal divided every cycle except the oldest one, and reuse it when calculating the average waveform next time. In this case, when calculating the average waveform next time, the average waveform calculation unit 140 reads the latest one cycle of biological signals that are not used for calculating the average waveform from the buffer memory 130, and stores the stored biological signals. The average waveform is calculated.
例えば、６周期分の平均波形を生成する場合、最初に１〜６周期目の生体信号の平均波形を生成した際、２〜６周期目の生体信号を記憶しておく。次に平均波形を算出する際にはバッファメモリ１３０から７周期目の生体信号を読み出し、記憶していた２〜６周期目の生体信号とともに平均波形を算出したら、２周期目の生体信号を破棄し、３〜７周期目の生体信号を記憶する。以後同様にして、１周期分の生体信号をバッファメモリ１３０から読み出し、記憶されている５周期分との平均信号を算出したら、最も古い周期の生体信号をバッファメモリ１３０から読み出した生体信号で置き換える。これにより、平均波形の算出ごとに６周期分を読み込んで１周期ごとの生体信号に分割する手間を省くことができる。
平均波形算出部１４０は、算出した平均波形をフィルタ処理部１５０および減算器１８０に出力する。
For example, when generating an average waveform for six cycles, when the average waveform of the biological signal in the first to sixth cycles is first generated, the biological signal in the second to sixth cycles is stored. Next, when calculating the average waveform, the biological signal of the seventh cycle is read from the buffer memory 130, and when the average waveform is calculated together with the stored biological signals of the second to sixth cycles, the biological signal of the second cycle is discarded. Then, the biological signals in the 3rd to 7th cycles are stored. Thereafter, in the same manner, when the biological signal for one cycle is read from the buffer memory 130 and the average signal for the five stored cycles is calculated, the biological signal having the oldest cycle is replaced with the biological signal read from the buffer memory 130. . Thereby, it is possible to save the trouble of reading six periods for each calculation of the average waveform and dividing the period into biological signals for each period.
The average waveform calculation unit 140 outputs the calculated average waveform to the filter processing unit 150 and the subtracter 180.
Ｓ１０７で制御部１１０は、フィルタ処理部１５０と構造要素長決定部１６０とを用いた構造要素長決定処理を行い、フィルタ処理部１５０において生体信号に適用するモフォロジーフィルタで用いる構造要素長を構造要素長決定部１６０で決定する。そして、制御部１１０は、決定した構造要素長を構造要素長決定部１６０によってフィルタ処理部１５０に設定させる。この処理については後で詳細に説明する。 In S107, the control unit 110 performs a structural element length determination process using the filter processing unit 150 and the structural element length determination unit 160, and uses the structural element length used in the morphological filter applied to the biological signal in the filter processing unit 150 as the structural element. The length is determined by the length determining unit 160. Then, the control unit 110 causes the structural element length determination unit 160 to set the determined structural element length in the filter processing unit 150. This process will be described later in detail.
Ｓ１０９で制御部１１０は、バッファメモリ１３０から処理単位（例えば１周期分や所定時間分）の生体信号を読み出し、フィルタ処理部１５０に供給する。そして、Ｓ１１１で制御部１１０は、供給した生体信号に対し、フィルタ処理部１５０でフィルタ処理を行わせる。Ｓ１１３で制御部１１０は、フィルタ処理部１５０の出力する、フィルタ処理された生体信号と、バッファメモリ１３０から読み出した、フィルタ処理された区間の生体信号とを減算器１７０に供給する。 In S <b> 109, the control unit 110 reads out a biological signal of a processing unit (for example, for one cycle or a predetermined time) from the buffer memory 130 and supplies the biological signal to the filter processing unit 150. In step S111, the control unit 110 causes the filter processing unit 150 to perform filter processing on the supplied biological signal. In step S <b> 113, the control unit 110 supplies the filtered biological signal output from the filter processing unit 150 and the filtered biological signal read from the buffer memory 130 to the subtracter 170.
なお、Ｓ１０９でバッファメモリ１３０から読み出した信号を遅延して減算器１７０に供給することで、減算器１７０に同じ区間についての元信号とフィルタ処理後の信号が供給されるように構成してもよい。 Note that the signal read from the buffer memory 130 in S109 is delayed and supplied to the subtractor 170, so that the subtractor 170 is supplied with the original signal and the filtered signal for the same section. Good.
減算器１７０はバッファメモリ１３０から供給される生体信号（元信号）から、フィルタ処理部１５０の出力する生体信号（フィルタ処理後の信号）を減算し、アーチファクトを低減した生体信号を出力する。制御部１１０は、減算器１７０が出力する生体信号を例えばＩ／Ｆ部１２０を通じて記憶装置１９０に返送もしくは格納したり、解析装置など、フィルタ処理後の生体信号を取り扱う他の装置へ出力したりすることができる。 The subtractor 170 subtracts the biological signal (filtered signal) output from the filter processing unit 150 from the biological signal (original signal) supplied from the buffer memory 130, and outputs a biological signal with reduced artifacts. The control unit 110 returns or stores the biological signal output from the subtractor 170 to the storage device 190 through the I / F unit 120, for example, or outputs the biological signal to another device that handles the biological signal after filtering, such as an analysis device. can do.
Ｓ１１５で制御部１１０は、Ｓ１１１でフィルタ処理した生体信号が、バッファメモリ１３０に一時記憶された生体信号の終わりを含んでいたかどうか、換言すればバッファメモリ１３０に一時記憶された生体信号を全てフィルタ処理したかどうかを判定する。制御部１１０は未処理の生体信号がバッファメモリ１３０に残っていれば処理をＳ１０５に戻し、未処理の生体信号がバッファメモリ１３０に残っていなければ処理をＳ１１７に進める。 In S115, the control unit 110 determines whether the biological signal filtered in S111 includes the end of the biological signal temporarily stored in the buffer memory 130, in other words, all the biological signals temporarily stored in the buffer memory 130. Determine whether or not filtering has been performed. If the unprocessed biological signal remains in the buffer memory 130, the control unit 110 returns the process to S105, and if the unprocessed biological signal does not remain in the buffer memory 130, the process proceeds to S117.
Ｓ１１７で制御部１１０は、バッファメモリ１３０に記憶された生体信号の続きが記憶装置１９０に残っているかどうか、換言すれば処理対象のデータファイルに記録された生体信号を全て処理したかどうかを判定する。制御部１１０は未処理の生体信号がデータファイルに残っていれば、処理をＳ１０１に戻し、未処理の生体信号がデータファイルに残っていなければ、処理対象のデータファイルについての処理を終了する。 In S117, the control unit 110 determines whether or not the continuation of the biological signal stored in the buffer memory 130 remains in the storage device 190, in other words, whether or not all the biological signals recorded in the processing target data file have been processed. To do. If the unprocessed biological signal remains in the data file, the control unit 110 returns the process to S101. If the unprocessed biological signal does not remain in the data file, the control unit 110 ends the process on the data file to be processed.
●（フィルタ処理の詳細）
次に、フィルタ処理部１５０が適用するフィルタ処理について説明する。
上述の通り、本実施形態のフィルタ処理部１５０は、アーチファクトを低減するフィルタ処理を、モフォロジーフィルタ（モルフォロジーフィルタとも呼ばれる）を用いて行う。モフォロジーフィルタは非線形フィルタであり、オープニングフィルタとクロージングフィルタの組み合わせからなるため、オープン−クロージングフィルタもしくはクローズ−オープニングフィルタと呼ばれることもある。
● (Details of filtering)
Next, filter processing applied by the filter processing unit 150 will be described.
As described above, the filter processing unit 150 according to the present embodiment performs filter processing for reducing artifacts using a morphology filter (also referred to as a morphological filter). The morphology filter is a non-linear filter, and is composed of a combination of an opening filter and a closing filter, and is sometimes called an open-closing filter or a closed-opening filter.
モフォロジーフィルタは処理対象に対して特定形状の構造要素を移動させ、処理対象に含まれる構造要素の集合を求める演算を行うフィルタであり、主に画像処理で輪郭の平滑化や孤立点除去などに用いられている。 A morphological filter is a filter that moves structural elements of a specific shape with respect to the processing target and calculates a set of structural elements included in the processing target. It is mainly used for image processing to smooth out contours and remove isolated points. It is used.
モフォロジーフィルタの構造要素として、原点を中心に持つ長さｌ（ｌ＞０）の窓を考え、処理を行う入力信号系列をｘ（ｉ）（ｉは整数かつ≧ｌ）とする。
以下のＰ1に示す最小値を選択する処理（エロージョン）に続いて、Ｐ2に示す最大値を選択する処理（ダイレーション）を適用する処理がオープニング（Ｐ3）である。また、Ｐ2に示すダイレーションの適用に続いてＰ1に示すエロージョンを適用する処理がクロージング（Ｐ4）である。オープン−クロージングフィルタは、オープニングの適用に続いてクロージングを適用するフィルタ（Ｐ6）である。また、クローズ−オープニングフィルタは、クロージングの適用に続いてオープニングを適用するフィルタである。
Following the process (erosion) for selecting the minimum value shown in P 1 below, the process for applying the process (dilation) for selecting the maximum value shown in P 2 is the opening (P 3 ). Further, the process of applying the erosion shown in P 1 following the application of dilation shown in P 2 is closing (P 4 ). The open-closing filter is a filter (P 6 ) that applies closing following the application of opening. The closed-opening filter is a filter that applies an opening after applying a closing.
オープニングフィルタは生体信号において基線より上の部分に作用し、クロージングフィルタは生体信号において基線より下の部分に作用する。本実施形態のフィルタ処理部１５０は、処理対象の生体信号に対し、オープニングフィルタとクロージングフィルタを同じ回数（１回以上）ずつ適用する。ここでは、フィルタ処理部１５０は、オープニングフィルタを１回適用したのち、クロージングフィルタを１回適用するオープン−クロージングフィルタであるものとする。 The opening filter acts on the portion above the baseline in the biological signal, and the closing filter acts on the portion below the baseline in the biological signal. The filter processing unit 150 of the present embodiment applies the opening filter and the closing filter to the biological signal to be processed the same number of times (one or more times). Here, it is assumed that the filter processing unit 150 is an open-closing filter that applies the opening filter once and then applies the closing filter once.
●（構造要素長の決定処理の詳細）
次に、図３に示すフローチャートを用いて、図２のＳ１０７で実施する構造要素長決定処理についてさらに説明する。
まず、Ｓ１０９１で制御部１１０は、構造要素長決定部１６０を通じ、フィルタ処理部１５０に構造要素長の初期値を設定する。構造要素長の初期値は処理対象の生体信号の特性に応じて定めることができる。例えば生体信号が心電信号の場合、ＱＴ間隔(msec)の一般的な下限値からマージンを考慮してさらに小さくした値を初期値として定めることができる。ここでは、生体信号が心電信号であり、構造要素長の初期値を１(msec)に対応するサンプル数とする。以下では便宜上、サンプル数を対応する時間で表現する場合がある。
● (Details of structure element length determination processing)
Next, the structural element length determination process performed in S107 of FIG. 2 will be further described with reference to the flowchart shown in FIG.
First, in S1091, the control unit 110 sets the initial value of the structural element length in the filter processing unit 150 through the structural element length determination unit 160. The initial value of the structural element length can be determined according to the characteristics of the biological signal to be processed. For example, when the biological signal is an electrocardiogram signal, a value further reduced in consideration of a margin from a general lower limit value of the QT interval (msec) can be determined as an initial value. Here, the biological signal is an electrocardiogram signal, and the initial value of the structural element length is the number of samples corresponding to 1 (msec). Hereinafter, for the sake of convenience, the number of samples may be expressed by the corresponding time.
Ｓ１０９３で制御部１１０は、Ｓ１０５で平均波形算出部１４０が生成した平均波形に対し、フィルタ処理部１５０でオープニングフィルタを適用させる。そして、Ｓ１０９５において、構造要素長決定部１６０は、減算器１８０の出力する、元信号（平均波形）とフィルタ処理後の信号とのサンプルごとの差の２乗和を算出し、現在の構造要素長に対する残差として記憶し、算出終了を制御部１１０に通知する。 In S1093, the control unit 110 causes the filter processing unit 150 to apply an opening filter to the average waveform generated by the average waveform calculation unit 140 in S105. In step S <b> 1095, the structural element length determination unit 160 calculates the sum of squares of the difference for each sample between the original signal (average waveform) output from the subtracter 180 and the filtered signal, and the current structural element. This is stored as a residual with respect to the length, and the control unit 110 is notified of the end of calculation.
Ｓ１０９７において制御部１１０は、現在の構造要素長が予め定めた最大値より小さいか判定し、最大値より小さければ処理をＳ１０９９に、最大値であれば処理をＳ１１０１に進める。 In S1097, the control unit 110 determines whether or not the current structural element length is smaller than a predetermined maximum value. If it is smaller than the maximum value, the process proceeds to S1099, and if it is the maximum value, the process proceeds to S1101.
Ｓ１０９９で制御部１１０は、現在の構造要素長を所定量増加することで更新し、更新後の構造要素長を、構造要素長決定部１６０を通じてフィルタ処理部１５０に設定し、処理をＳ１０９３に戻す。例えば構造要素長の更新時の増加量は１ｍｓｅｃであってよい。このように、構造要素長が予め定めた最大値に達するまで、構造要素長を順次増加させながら、それぞれの構造要素長について元信号とフィルタ処理後の信号との残差を算出する。 In S1099, the control unit 110 updates the current structural element length by increasing the predetermined amount, sets the updated structural element length in the filter processing unit 150 through the structural element length determination unit 160, and returns the process to S1093. . For example, the increase amount at the time of updating the structural element length may be 1 msec. In this manner, the residual between the original signal and the filtered signal is calculated for each structural element length while sequentially increasing the structural element length until the structural element length reaches a predetermined maximum value.
予め定めた最大値の構造要素長までの残差の算出が完了すると、Ｓ１１０１で制御部１１０は、構造要素長決定部１６０に対し、構造要素長を決定させる。構造要素長決定部１６０は、構造要素長と残差との関係から、フィルタ処理部１５０に設定する構造要素長を決定する。 When the calculation of the residual up to the predetermined maximum structural element length is completed, the control unit 110 causes the structural element length determination unit 160 to determine the structural element length in S1101. The structural element length determination unit 160 determines the structural element length to be set in the filter processing unit 150 from the relationship between the structural element length and the residual.
まずＳ１１０１で構造要素長決定部１６０は、残差が一定とみなせる構造要素長の区間のうち、所定以上の幅を有する区間を検出する。ここで、一定とは所定範囲内に変動が収まっていることを意味し、厳密に同一であることに限定されない。従って、Ｓ１１０１で構造要素長決定部１６０は、予め定められた構造要素長の変化量（例えば３０ｍｓｅｃ）以上にわたって、残差の変動が予め定めた範囲内に収まっている区間を検出する。 First, in step S1101, the structural element length determination unit 160 detects a section having a width equal to or greater than a predetermined width from among sections having a structural element length in which the residual can be regarded as constant. Here, the constant means that the fluctuation is within a predetermined range, and is not limited to being exactly the same. Accordingly, in S1101, the structural element length determination unit 160 detects a section in which the variation of the residual is within a predetermined range over a predetermined structural element length change amount (for example, 30 msec).
Ｓ１１０３で構造要素長決定部１６０は、検出された区間に対応する残差の差の、サンプルあたりの値が閾値を超えているか否か判定する。なお、区間が３つ以上検出されていれば、対応する構造要素長の短いものから２つについて判定する。区間に対応する残差は、例えば区間内の残差の平均値であってよい。構造要素長決定部１６０は、サンプルあたりの残差が閾値を超えていれば処理をＳ１１０５へ、閾値以下であればＳ１１０７へ処理を進める。また区間が１つしか検出されていない場合も処理をＳ１１０７に進める。 In S1103, the structural element length determination unit 160 determines whether or not the value per sample of the difference in residual corresponding to the detected section exceeds the threshold value. If three or more sections are detected, two of the corresponding structural element lengths are determined. The residual corresponding to the section may be an average value of the residuals in the section, for example. The structural element length determination unit 160 advances the process to S1105 if the residual per sample exceeds the threshold, and advances to S1107 if the residual is less than the threshold. Also, if only one section is detected, the process proceeds to S1107.
ここでの閾値は例えば５０μＶとする。この閾値は、生体信号の測定精度や、記録や表示を行うスケールを勘案して定めることができる。例えば、一般的な心電図の記録または表示を行うスケールにおいて、５０μＶは０．５ｍｍに相当し、０．５ｍｍの差を視覚的に判別することは困難である。 The threshold here is, for example, 50 μV. This threshold value can be determined in consideration of the measurement accuracy of the biological signal and the scale for recording and displaying. For example, in a general scale for recording or displaying an electrocardiogram, 50 μV corresponds to 0.5 mm, and it is difficult to visually distinguish a difference of 0.5 mm.
Ｓ１１０５で構造要素長決定部１６０は、対応する構造要素長が長い区間に基づいて構造要素長を決定する。
Ｓ１１０７で構造要素長決定部１６０は、対応する構造要素長が短い区間に基づいて構造要素長を決定する。
Ｓ１１０５およびＳ１１０７で構造要素長決定部１６０は、例えば、区間の開始点に対応する構造要素長（すなわち、区間に対応する最短の構造要素長）を、オープニングフィルタに設定する構造要素長として決定する。
In S1105, the structural element length determination unit 160 determines the structural element length based on a section having a long corresponding structural element length.
In step S1107, the structural element length determination unit 160 determines the structural element length based on a section having a short corresponding structural element length.
In S1105 and S1107, the structural element length determination unit 160 determines, for example, the structural element length corresponding to the start point of the section (that is, the shortest structural element length corresponding to the section) as the structural element length to be set in the opening filter. .
構造要素長の変化に対して残差の変化が一定とみなせる区間においては、構造要素長を変えても効果に変化がない。一方で、構造要素が長すぎると基線動揺の低減効果が小さくなり、構造要素が短すぎると波形を歪ませるという特性がある。従って、残差の変化が十分小さい範囲では、構造要素長を短く設定することで、波形を歪ませずに基線動揺の低減効果を最大限実現するようにする。一方、構造要素長の変化に対して残差の変化が一定とみなせる区間が複数検出された場合、区間に対応する残差の差が大きければ、短い構造要素長を用いた場合には波形歪みが生じている可能性が高い。従って、構造要素長決定部１６０は長い構造要素長に対応する区間から構造要素長を決定する。 In the interval in which the change in the residual is considered constant with respect to the change in the structural element length, the effect does not change even if the structural element length is changed. On the other hand, if the structural element is too long, the effect of reducing baseline fluctuation is reduced, and if the structural element is too short, the waveform is distorted. Therefore, in the range where the change in the residual is sufficiently small, the effect of reducing the baseline fluctuation is realized to the maximum without distorting the waveform by setting the structural element length short. On the other hand, if multiple sections where residual changes can be considered constant with respect to changes in structural element length are detected, if there is a large difference in residuals corresponding to the sections, waveform distortion will occur if a short structural element length is used. Is likely to have occurred. Therefore, the structural element length determination unit 160 determines the structural element length from the section corresponding to the long structural element length.
ここで、構造要素長の決定方法の具体例を、図４を用いて説明する。図４は、構造要素長の初期値を１ｍｓｅｃ、最大値を５００ｍｓｅｃとした場合の、構造要素長と残差との関係例を示す図である。なお、ここで構造要素長の初期値を１ｍｓｅｃとしているのは便宜上であって、実際にはこのように小さな値を初期値とする必要はない。 Here, a specific example of the method for determining the structural element length will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship example between the structural element length and the residual when the initial value of the structural element length is 1 msec and the maximum value is 500 msec. Note that the initial value of the structural element length is set to 1 msec here for convenience, and it is not actually necessary to set such a small value as the initial value.
図４の例では、３０ｍｓｅｃ以上の構造要素長の変化に対して残差が一定と見なせる区間として、区間Ａと区間Ｂが検出されている。そして、各区間に対応する残差εの差はｄεである。ｄεはサンプルごとの差分の２乗和の差であるため、Ｓ１１０３で構造要素長決定部１６０は、ｄεの平方根を、残差を求めた区間に含まれるサンプル数（ｍとする）で割った（√ｄε）／ｍを閾値と比較する。そして、Ｓ１１０５では、区間Ｂの開始位置に対応する候補点２の構造要素長が、Ｓ１１０７では、区間Ａの開始位置に対応する候補点１の構造要素長が、それぞれオープニングフィルタに設定する構造要素長として決定される。 In the example of FIG. 4, the sections A and B are detected as sections in which the residual can be considered constant with respect to the change in the structural element length of 30 msec or more. The difference in residual ε corresponding to each section is d ε . Since d ε is the difference between the square sums of the differences for each sample, the structuring element length determination unit 160 determines the square root of d ε in step S1103 as the number of samples (m) included in the interval from which the residual is obtained. The divided (√d ε ) / m is compared with the threshold value. In S1105, the structural element length of candidate point 2 corresponding to the start position of section B is set in the opening filter, and in S1107, the structural element length of candidate point 1 corresponding to the start position of section A is set in the opening filter. Determined as length.
オープニングフィルタの構造要素長がこのようにして決定されると、決定された構造要素長をフィルタ処理部１５０のオープニングフィルタに設定する。そして、オープニングフィルタの構造要素長と同様にして、クロージングフィルタの構造要素長も決定する。なお、クロージングフィルタの構造要素長を決定する際には、Ｓ１０９３で、オープニングフィルタ処理後の平均波形に対してクロージングフィルタを適用する。また、Ｓ１０９５で残差を求める際の元信号として、平均波形算出部１４０が出力する平均波形の代わりにオープニングフィルタを適用した平均波形を用いる。 When the structural element length of the opening filter is determined in this way, the determined structural element length is set in the opening filter of the filter processing unit 150. Then, the structural element length of the closing filter is determined in the same manner as the structural element length of the opening filter. When determining the structural element length of the closing filter, the closing filter is applied to the average waveform after the opening filter processing in S1093. In addition, an average waveform to which an opening filter is applied is used instead of the average waveform output from the average waveform calculation unit 140 as an original signal when the residual is obtained in S1095.
なお、生体信号が心電信号のように基線の上側で連続する区間と下側で連続する区間の長さに差がある場合、Ｓ１１０３の判定に用いる閾値を、オープニングフィルタの構造要素長を決定する場合と、クロージングフィルタの構造要素長を決定する場合とで変えることができる。具体的には、例えば心電信号のように、基線の上側で連続する区間が基線の下側で連続する区間に対して有意に長い場合、クロージングフィルタの構造要素長を決定する場合の閾値は、オープニングフィルタの構造要素長を決定する場合よりも小さくすることができる。 When there is a difference in the length of the continuous section above the base line and the continuous section below the base line like the electrocardiogram signal, the threshold used for the determination in S1103 is determined as the structural element length of the opening filter. And the case of determining the structural element length of the closing filter. Specifically, for example, in the case of an electrocardiogram signal, when the interval continuous on the upper side of the baseline is significantly longer than the interval continuous on the lower side of the baseline, the threshold for determining the structural element length of the closing filter is It can be made smaller than when the structural element length of the opening filter is determined.
このようにして、本実施形態では、オープニングフィルタで用いる構造要素長と、クロージングフィルタで用いる構造要素長とを別個に、かつ動的に設定ならびに更新する。そのため、特徴的な形状の生体信号（例えばブルガダ症候群や右脚ブロックに係る心電図信号）に対しても、低歪みと良好なアーチファクトの除去とを実現できる。 In this way, in the present embodiment, the structural element length used in the opening filter and the structural element length used in the closing filter are set and updated separately and dynamically. Therefore, it is possible to realize low distortion and good artifact removal even for a biological signal having a characteristic shape (for example, an ECG signal related to Brugada syndrome or a right leg block).
ただし、オープニングフィルタとクロージングフィルタのそれぞれについて例えば生体信号の一周期ごとに動的に決定すると計算量が多くなるため、条件に応じて更新頻度を少なくしてもよい。
例えば、
・今回算出した平均波形と直近に算出した平均波形との相関が予め定めた閾値を満たす場合（相関が十分に高いと判定される場合）や、
・直近に算出した構造要素長を用いて算出した残差εが予め定めた閾値未満の場合
は、構造要素長の算出（更新）をスキップして、直近に算出した構造要素長を変更せずに用いるようにしてもよい。例えば２つの平均波形の差分（サンプル値の差分２乗和）が閾値未満である場合に両者の相関が十分高いと判定することができる。
However, for each of the opening filter and the closing filter, for example, if it is dynamically determined for each period of the biological signal, the amount of calculation increases. Therefore, the update frequency may be reduced depending on conditions.
For example,
・ When the correlation between the average waveform calculated this time and the average waveform calculated most recently satisfies a predetermined threshold (when the correlation is determined to be sufficiently high)
・ If the residual ε calculated using the most recently calculated structural element length is less than a predetermined threshold, the calculation (update) of the structural element length is skipped and the most recently calculated structural element length is not changed. You may make it use for. For example, when the difference between two average waveforms (difference sum of squares of sample values) is less than a threshold, it can be determined that the correlation between the two is sufficiently high.
●（評価例）
図５に、異常心電図の一例としてのブルガダ型の心電図（I, II, V1-V6の８誘導）の２０例について、
・従来法１（遅延対称ＦＩＲフィルタ(DF512)）、
・従来法２（構造要素長が固定のモフォロジーフィルタ（固定法））、
・本実施形態の方法（適応的な構造要素長を有するモフォロジーフィルタ（適応法））
による波形歪みの比較評価結果を示す。なお、固定法における構造要素長は、心電図における一般的なＱＴの長さに鑑み、４００ｍｓｅｃとした。
● (Evaluation example)
FIG. 5 shows 20 examples of Brugada type electrocardiograms (8 leads of I, II, V1-V6) as an example of abnormal electrocardiograms.
Conventional method 1 (delay symmetric FIR filter (DF512)),
Conventional method 2 (morphological filter with a fixed structural element length (fixed method)),
-Method of the present embodiment (morphological filter having adaptive structural element length (adaptive method))
The comparison evaluation result of the waveform distortion by is shown. In addition, the structural element length in the fixing method was set to 400 msec in view of the general QT length in the electrocardiogram.
具体的には、元信号（フィルタ適用なし）と各フィルタ適用後の信号について、Ｒ波のピーク位置の後５０〜１５０ｍｓｅｃ間の区間（ＳＴ−Ｔ区間）について、２ｍｓｅｃごとに５１点のサンプルを取得し、元信号との振幅差（絶対値）および相関係数を求める。そして、求めた振幅差（すなわち、誤差）と相関係数について比較評価する。 Specifically, for the original signal (no filter applied) and the signal after applying each filter, 51 samples are sampled every 2 msec for a section (ST-T section) between 50 and 150 msec after the peak position of the R wave. Obtain an amplitude difference (absolute value) from the original signal and a correlation coefficient. Then, the obtained amplitude difference (that is, error) and the correlation coefficient are compared and evaluated.
図５（ａ）は、誤差の分布を箱ひげ図で示すとともに、各群間についての、Wilcoxonの符号付順位和検定結果についてRyan法で補正した多重比較検定結果を示している。図５（ａ）に示すように、各群は有意水準１％の検定において有意な差を有している。 FIG. 5A shows the distribution of errors in a box-and-whisker plot, and the multiple comparison test result obtained by correcting the Wilcoxon signed rank sum test result for each group by the Ryan method. As shown in FIG. 5 (a), each group has a significant difference in the test with a significance level of 1%.
図６は、箱ひげ図の意味を説明するための模式図である。箱ひげ図の箱は、５１サンプルの各々についての差分を降順にソートした際の第３四分位数を上側ヒンジ、第１四分位数を下側ヒンジで表す。箱の中の水平線は第２四分位数（中央値）を表す。また、上下のひげは、ソートした値の最大値および最小値からそれぞれ５％内側の値を表す。ただし、上側のひげの最大値は、箱の高さ（すなわち、上側ヒンジと下側ヒンジの差）をｄとすると、（上側ヒンジ＋１．５ｄ）とする。同様に、下側のひげの最小値は（下側ヒンジ−１．５ｄ）とする。 FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the meaning of the box-and-whisker diagram. In the box plot, the third quartile when the differences for each of the 51 samples are sorted in descending order is represented by the upper hinge, and the first quartile is represented by the lower hinge. The horizontal line in the box represents the second quartile (median). In addition, the upper and lower whiskers represent values that are 5% inside from the maximum and minimum values of the sorted values. However, the maximum value of the upper whiskers is (upper hinge + 1.5d), where d is the height of the box (that is, the difference between the upper and lower hinges). Similarly, the minimum value of the lower whiskers is (lower hinge−1.5d).
箱の大きさｄが小さいほど、誤差の分布が小さい（値が安定している）ことを示し、また、中央値が小さいほど、元信号とフィルタ処理後の信号の誤差が小さいことを意味する。従って、箱の大きさｄが小さく、かつ中央値が小さい方が、元波形を歪ませないフィルタ処理であることになる。このような観点から図５（ａ）を参照すると、本実施形態による、適用的な構造要素長を用いるモフォロジーフィルタが、最も好ましい処理結果を実現していることがわかる。 The smaller the box size d, the smaller the error distribution (the value is more stable), and the smaller the median value, the smaller the error between the original signal and the filtered signal. . Therefore, the smaller the box size d and the smaller the median value, the filter processing does not distort the original waveform. From this point of view, referring to FIG. 5A, it can be seen that the morphology filter using the applicable structural element length according to the present embodiment achieves the most preferable processing result.
図５（ｂ）は、モフォロジーフィルタの構造要素長を固定した場合（固定法）と、適応的に設定する場合（適応法）との誤差の分布を示している。固定法はかなり広範囲に誤差が分布しているのに対し、適応法では誤差が０に近い、かつ狭い範囲に分布していることがわかる。 FIG. 5B shows the error distribution when the structural element length of the morphology filter is fixed (fixed method) and when it is adaptively set (adaptive method). It can be seen that the error is distributed over a fairly wide range in the fixed method, whereas the error is close to 0 and distributed in a narrow range in the adaptive method.
図５（ｃ）は固定法と適応法とについて、元信号との相関係数の分布を示している。適応法において相関係数が１付近にほとんど集中しているのに対し、固定法ではばらつきがあるのがわかる。 FIG. 5C shows the distribution of correlation coefficients with the original signal for the fixed method and the adaptive method. It can be seen that the correlation coefficient is almost concentrated around 1 in the adaptive method, whereas the fixed method has variations.
図７および図８は、異常心電図の他の例として、右脚ブロックの心電図および心筋梗塞の心電図について、図５と同様の評価を行った例を示している。これらの例では適応法においてもブルガダ型の心電図より誤差が大きくなっているが、それでもＦＩＲフィルタや固定構造要素長のモフォロジーフィルタを用いる方法よりは良好な結果が得られている。 FIGS. 7 and 8 show an example in which the same evaluation as in FIG. 5 was performed on the electrocardiogram of the right leg block and the electrocardiogram of myocardial infarction as another example of the abnormal electrocardiogram. In these examples, the error is larger in the adaptive method than the Brugada type electrocardiogram, but still better results are obtained than the method using the FIR filter or the fixed structure element length morphology filter.
このように、適応的な構造要素長を有するモフォロジーフィルタを用いることで、フィルタ処理による波形歪みを抑制できることが示された。次に、適応的な構造要素長を有するモフォロジーフィルタによる基線動揺の除去効果について検討する。 Thus, it was shown that waveform distortion due to filter processing can be suppressed by using a morphology filter having an adaptive structural element length. Next, the effect of removing baseline fluctuations by a morphological filter having an adaptive structural element length will be discussed.
ここでは、MIT-BIH心電図データベースにおける基線動揺が大きな心電図として、MIT 101およびMIT 108を用い、固定法（構造要素長４００ｍｓｅｃ）と適応法の比較評価例について説明する。 Here, a comparative evaluation example between the fixed method (structural element length 400 msec) and the adaptive method will be described using MIT 101 and MIT 108 as electrocardiograms having large baseline fluctuations in the MIT-BIH electrocardiogram database.
心電図の各心拍について、Ｒ波ピークから前１００ｍｓｅｃの区間について、２０ｍｓｅｃの窓を用いた分散を、２ｍｓｅｃずつＲ波頂点方向に窓を移動させながら順次求める。そして、最小の分散値が得られた区間の平均振幅値を求める。 For each heartbeat of the electrocardiogram, dispersion using a 20 msec window is sequentially obtained for the section of 100 msec from the R wave peak while moving the window in the R wave apex direction by 2 msec. Then, an average amplitude value in a section where the minimum variance value is obtained is obtained.
このようにして心電図の各心拍で算出した平均振幅値の最小値を基準値として、各心拍の平均振幅値と基準値との差を基線動揺として算出し、基線動揺の大きさに応じて図９（ａ）に示す、MRFIT (Multiple Risk Factor Intervention Trial)基準における心電図のアーチファクト評価グレードに分類する。分類結果を図９（ｂ）に示す。 In this way, the difference between the average amplitude value of each heartbeat and the reference value is calculated as the baseline fluctuation with the minimum value of the average amplitude value calculated for each heartbeat of the electrocardiogram as a reference value, and the figure is shown according to the magnitude of the baseline fluctuation. It is classified into the electrocardiogram artifact evaluation grade in the MRFIT (Multiple Risk Factor Intervention Trial) standard shown in 9 (a). The classification result is shown in FIG.
図９に示すように、本実施形態に係る適応法は、固定法と同等以上の基線動揺抑制効果が得られていることがわかる。つまり、図５〜図８の評価と図９の評価とから、適応法は固定法よりも波形歪みを抑制しながら、固定法と同等以上の基線動揺抑制効果を実現できることがわかる。 As shown in FIG. 9, it can be seen that the adaptive method according to the present embodiment has a baseline fluctuation suppression effect equal to or higher than that of the fixed method. That is, it can be seen from the evaluation of FIGS. 5 to 8 and the evaluation of FIG. 9 that the adaptive method can achieve the baseline fluctuation suppression effect equivalent to or higher than that of the fixed method while suppressing the waveform distortion more than the fixed method.
以上説明したように、本実施形態によれば、モフォロジーフィルタを用いて生体信号の基線動揺および／またはノイズを抑制する生体信号処理装置において、モフォロジーフィルタの構造要素長を動的に設定するようにした。そのため、固定的な構造要素長を用いる従来の構成に対し、生体信号の周波数帯域と重複する周波数のアーチファクトの低減と、生体信号の歪み抑制とを両立できる。特に、異なる構造要素長を用いた際のフィルタ処理前後の生体信号の残差の変化に基づいて最適な構造要素長を決定することで、より適切なフィルタ処理を実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, the structural element length of the morphology filter is dynamically set in the biological signal processing apparatus that suppresses baseline fluctuation and / or noise of the biological signal using the morphology filter. did. Therefore, compared with the conventional configuration using a fixed structural element length, it is possible to achieve both the reduction of the artifact of the frequency overlapping the frequency band of the biological signal and the suppression of the distortion of the biological signal. In particular, more appropriate filter processing can be realized by determining the optimum structure element length based on the change in the residual of the biological signal before and after the filter processing when using different structural element lengths.
（他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態に係る処理を、システム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサによって実施させるプログラムとしても実現可能である。従って、このようなプログラムや、プログラムを記録したコンピュータ可読記録媒体もまた本発明を構成する。また、上述の実施形態に係る処理を、ハードウェア（例えばＡＳＩＣやプログラマブルロジックなど）を用いて実施することもできる。
(Other embodiments)
The present invention can also be realized as a program that causes the processing according to the above-described embodiment to be performed by one or more processors in the computer of the system or apparatus. Therefore, such a program and a computer-readable recording medium recording the program also constitute the present invention. Further, the processing according to the above-described embodiment can be performed using hardware (for example, ASIC, programmable logic, or the like).
Claims (13)
生体信号を取得する取得手段と、
前記生体信号にモフォロジーフィルタを適用するフィルタ処理手段と、
前記モフォロジーフィルタの構造要素長を決定する決定手段と、
前記決定手段が決定した構造要素長を用いて前記フィルタ処理手段が前記モフォロジーフィルタを適用した生体信号を、前記モフォロジーフィルタを適用する前の生体信号から減算して出力する出力手段と、を有し、
前記決定手段は、前記構造要素長を動的に決定することを特徴とする生体信号処理装置。 A biological signal processing apparatus that suppresses baseline fluctuation and / or noise of a biological signal,
Obtaining means for obtaining a biological signal;
Filter processing means for applying a morphology filter to the biological signal;
Determining means for determining a structural element length of the morphology filter;
Output means for subtracting a biological signal to which the filter processing means applies the morphology filter using the structural element length determined by the determination means from a biological signal before applying the morphology filter; ,
The biological signal processing apparatus, wherein the determining means dynamically determines the structural element length.
前記決定手段が、前記単位ごとの前記減算の結果と、対応する前記構造要素長との関係に基づいて、前記構造要素長を決定することを特徴とする請求項２記載の生体信号処理装置。 The filter processing means applies the morphology filter for each predetermined unit of the biological signal;
The biological signal processing apparatus according to claim 2, wherein the determination unit determines the structural element length based on a relationship between the subtraction result for each unit and the corresponding structural element length.
前記決定手段は、前記平均信号に対して得られる前記減算の結果と前記構造要素長との関係に基づいて前記構造要素長を決定することを特徴とする請求項３または４に記載の生体信号処理装置。 Further comprising an averaging means for generating an average signal obtained by averaging the biological signals for a plurality of consecutive units.
The determination unit, the biological signal according to claim 3 or 4, wherein determining the structural element length based on the relationship between the results and the structural element length of the subtraction obtained for said average signal Processing equipment.
生体信号を取得する取得工程と、
前記モフォロジーフィルタの構造要素長を決定する決定工程と、
前記決定工程が決定した構造要素長を用いて前記フィルタ処理手段が前記モフォロジーフィルタを適用した生体信号を、前記モフォロジーフィルタを適用する前の生体信号から減算して出力する出力工程と、を有し、
前記決定工程は、前記構造要素長を動的に決定することを特徴とする生体信号処理装置の制御方法。 A control method of a biological signal processing apparatus that includes a filter processing unit that applies a morphological filter to a biological signal, and suppresses baseline fluctuation and / or noise of the biological signal,
An acquisition step of acquiring a biological signal;
A determining step of determining a structural element length of the morphology filter;
An output step of subtracting and outputting the biological signal to which the filter processing means applies the morphology filter using the structural element length determined in the determination step from the biological signal before the morphology filter is applied; ,
The method for controlling a biological signal processing apparatus, wherein the determining step dynamically determines the structural element length.
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