JPH0161056B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は脳波、筋電位等の生体信号を検出、増
幅する場合に検出信号中に含まれる周期性雑音
（ハム雑音等）を除去することを目的とする生体
から検出する信号中の周期性雑音の除去装置に関
するものである。

従来の技術 生体信号を検出、増幅する装置においては各種
雑音を除去し生体信号のみを検出、増幅すること
が望まれているが、生体信号は人体表面から得る
ことが一般的で、この生体信号は微弱でありまた
被験者は雑音の誘導されやすい環境下に置かれる
事が多いので、生体信号が雑音等に乱されて忠実
かつ正確な計測を行うことが非常に困難であつ
た。生体から検出する検出信号に含まれる雑音の
中で特に大きなものは商用電力線からのハム雑音
（50Hz、60Hz）の誘導である。従来これを除去す
る方法としてはRC（抵抗、コンデンサー）による
受動あるいは能動フイルターによるものであつ
た。

発明が解決しようとする課題 検出信号の周波数スペクトラムにはハム雑音近
辺に及ぶものが多く、前述の従来方表では検出信
号中に包含しているハム雑音を除去するだけでは
なく、ハム雑音近辺の周波数成分を持つ生体信号
をも除去する欠点があつた。

また、人体表面から得られる検出信号の内生体
信号の周波数スペクトラムにはハム雑音近辺に及
ぶものが多く従来のフイルターによれば生体信号
の主成分が除去されてしまい、忠実かつ正確な計
測を行うことが困難であつた。

課題を解決するための手段 本発明は上述の欠点を一掃し、生体から検出す
る信号主として筋電信号中に含まれる周期性雑音
のみをデイジタル信号処理によつてリアルタイム
（実時間処理）で除去することにより生体信号の
みを忠実かつ正確に計測する生体から検出する信
号中の周期性雑音の除去装置を提供することを目
的としている。

即ち本発明は、生体信号検出装置において、検
出信号１１に含まれる周期性雑音のＮ倍の周波数
にロツクする同期発振器１０と、該同期発振器１
０の発振周波数をサンプルレートとして標本化す
るサンプラー１２と、該サンプラー１２によつて
標本化される検出信号をデイジタル変換するＡ−
Ｄ変換器１と、該Ａ−Ｄ変換器１によつてデイジ
タル化されたデイジタル検出信号を順次取出す分
割器６と、該分割器６によつて順次取出されるデ
イジタル検出信号を順次累積記憶するＮ個のメモ
リ８と、該メモリ８に累積記憶した累積信号を周
期性雑音の二周期目以後は一周期前に累積記憶さ
れている累積信号を順次取出す選択器５と、該選
択器５によつて取出される累積信号の符号を反転
させる符号反転器４と、符号が反転した累積信号
を１／Ｋに減少させる係数器３と、１／Ｋに減少
した累積信号を前記デイジタル検出信号にフイー
ドバツクの信号として加算する加算器２と、該加
算器２によつてデイジタル検出信号に含まれる周
期性雑音のみが前記フイードバツクの信号で除去
されて、残つたデイジタル検出信号をアナログ検
出信号に変換するＤ−Ａ変換器７とを有する生体
から検出する信号中の周期性雑音の除去装置であ
る。

実施例 本発明の実施例を第１図〜第５図に従つて説明
する。

生体から検出する信号中の周期性雑音の除去装
置を示すブロツク図である第１図に於いて生体か
ら検出する信号をアナログ値として導出する電極
１３は該検出信号１１を標本化するサンプラー１
２の入力端に接続され、該サンプラー１２は前記
検出信号１１に含まれる周期性雑音の雑音源であ
る周波数雑音源９の雑音周波数のＮ倍（本実施例
ではＮ＝128）の周波数にロツクされて発振し前
記サンプラー１２のサンプルレートを制御する同
期発振器１０の出力端とも接続されている。前記
サンプラー１２の出力端は標本化されたアナログ
信号を量子化するＡ−Ｄ変換器１の入力端に接続
され、さらに該Ａ−Ｄ変換器１は前記同期発振器
１０の出力端とも接続されている。該Ａ−Ｄ変換
器１の出力端は加算器２の入力端に接続されてい
る。

また同期発振器１０の出力に連動して回転して
接点を128個有する分割器６及び選択器５は分割
器６の共通片６ａがｋ番目の接点６ｋに接してい
る時、選択器５の共通片５ａはｋ＋１番目の接点
５ｋ＋１に接するよう構成する。該分割器６の共
通片６ａは接点６ ０００から６ ００１，…
…，６ １２６，６ １２７へと切換わり次にも
との６ ０００に戻るようサイクリツクに繰返し
切換わるようになしている。分割器６と同様に選
択器５の接点５ｋ＋１もサイクリツクに構成され
５ ００１から５ ００２，……，５ １２７，
５ ０００と切り換わり次にもとの５ ００１に
戻るよう成されている。

前記分割器６の共通片６ａは加算器２の出力端
に接続されており、該分割器６の128個の接点６
０００，６ ００１，６ ００２，……６ １
２６，６ １２７はメモリ８を構成する128個の
周知の半導体メモリからなるメモリ８ ０００，
８ ００１，８ ００２，……８ １２６，８
１２７の入力端に夫々接続されている。またメモ
リ８の夫々の出力端は選択器５の128個の接点５
０００，５ ００１，５ ００２……５ １２
６，５ １２７に接続されており選択器５の共通
片５ａは符号反転器４の入力端に接続されてい
る。該前記符号反転器４の出力端は係数器３の入
力端に接続され、係数器３の出力端が加算器２の
入力端に接続される。

この様に加算器２の出力端を前述の種々の部材
即ち分割器６、メモリ８、選択器５、符号反転器
４及び係数器３を介して再び加算器２の入力端に
接続することによつてフイードバツクループが形
成される。前記加算器２の出力端は分割器６の共
通片６ａに接続されると共に更に同期発振器１０
の出力レートに合わせて作動しデイジタル信号を
アナログ信号に変換するＤ−Ａ変換器７の入力端
にも接続されて居り、Ｄ−Ａ変換器７の出力端は
図示を省略する増幅器、表示器または計器等に接
続される。

作 用 次に本発用の作用を詳述する。

生体から電極１３によつて導出された検出信号
１１は第４図に表わされるごとく周期性雑音Ｅに
より変調された（＝重ね合わされた）信号Ｃの波
形で得られる。周期性雑音源９からの周期性雑音
Ｅの周波数の128倍の周波数にロツクした同期発
振器１０の出力が、サンプラー１２のサンプルレ
ートを制御し検出信号１１が標本化される。

標本化されたアナログ信号はＡ−Ｄ変換器１に
よつて第４図に示すデイジタル検出信号Ａ０，Ａ
１，Ａ２，……，Ａ１２６，Ａ１２７に量子化さ
れる。また同期発振器１０の出力によつて連動し
て回転する接点数128個の分割器６及び選択器５
は、分割器６の共通片６ａがｋ番目の接点６ｋに
接している時選択器５の共通片５ａはｋ＋１番目
の接点５ｋ＋１に接するようなされている。即
ち、分割器６の共通片６ａが接点６ ０００に接
するときは選択器５の共通片５ａは５ ００１に
接している。同様に分割器６の共通片６ａは接点
６ ００１，６ ００２……６ １２６，６ １
２７へと順次移動して接するとき、選択器５の共
通片５ａも接点５ ００２，５ ００８……５
１２７，５ ０００へと順次移動して接する。

検出信号１１中の周期性雑音の周期が最初の第
１回目の時、Ａ−Ｄ変換器１から出力されるデイ
ジタル検出信号Ａ０，Ａ１，……，Ａ１２７は分
割器６の共通片６ａと接点６ ０００〜６ １２
７を経てメモリ８ ００１〜８ １２７に入力し
記憶される。

周期性雑音の周期が第二回目の時、分割器６の
共通片６ａが接点６ ０００に接している瞬間に
は選択器５の共通片５ａは接点５ ００１に接続
されており、該共通片５ａはメモリ８ ００１に
略一サイクル前までに記憶された信号Ａ１を取り
出し、この信号Ａ１を符号反転器４に入力する。
符号反転した信号Ａ１に係数器３で係数１／Ｋ
（本実施例ではＫ＝2048）を掛け、この係数を掛
けた信号A1／Ｋを加算器２を用いて生体から検
出したデイジタル検出信号に加算する。加算によ
りできた和のデイジタル検出信号Ｂ０，Ｂ１……
Ｂ１２６，Ｂ１２７をメモリ８ ０００，８ ０
０１……８ １２６，８ １２７に入力し累積記
憶する。

和のデイジタル検出信号Ｂ０をメモリ８ ００
０へ累積記憶させた後共通片６ａが接点６ ００
１に切り替わるが、この現在時点で、共通片５ａ
は接点５ ００２へ切り替わり略一サイクル前ま
での過去時点に記憶している信号Ａ２がメモリ８
００２から取り出され符号反転器４に入力され
る。

メモリ８ ００２から取り出される信号Ａ２は
符号反転器４により符号反転され係数器３に入力
する。該入力信号Ａ２を係数器３により1/2048に
減少させた後加算器２によりデイジタル検出信号
に加算する。加算器２の出力に加算された信号Ｂ
１を得、この信号Ｂ１をメモリ８ ００１に入力
し累積記憶する。

加算器２の出力を分割器６へ、分割器６の出力
をメモリ８へ、メモリ８の出力を選択器５へ、選
択器５の出力を符号反転器４へ、符号反転器４の
出力を係数器３へ、係数器３の出力を加算器２へ
順次入力して作動するフイードバツクループによ
り、新たに検出する周期性雑音からメモリ８の累
積記憶値に1/2048を乗じた値を差つ引き周期性雑
音を減少させている。

周期性雑音の最初の第１回目の周期（サイク
ル）は、加算器２にフイードバツクの信号を得る
ことなく単にメモリ８へ信号Ａ１〜Ａ１２７を記
憶させるためのサイクルである。

時間の経過とともに周期性雑音のサイクルは繰
り返されフイードバツクループの作動も繰返し行
われ、この繰返し作動に伴つてメモリ８ ００
０，８ ００１，８ ００２……８ １２６，８
１２７の記憶値は累積増大し、各メモリ８から
取り出す信号に係数器３の前記減少係数1/2048を
乗じたそれぞれの累積記憶値も徐々に増大してゆ
き、該増大する累績値がデイジタル検出信号に加
えられるので加算器２の出力信号中の周期性雑音
成分は徐々に減少し、第２図Ｆに示す如く和のデ
イジタル検出信号中に含まれる周期性雑音は0.3
秒〜10秒程度の時間を費やして徐々に減少し最終
的には全て除去することが可能である。

加算器２から出力される和のデイジタル検出信
号は同期発振器１０の出力レートに合せて作動す
るＤ−Ａ変換器７によりアナログ検出信号に変換
され、第３図Ｄに示すように周期性雑音を全て除
去したアナログ検出信号で取り出されるのであ
る。

次に、検出信号１１中の周期性雑音を除去する
動作をさらに詳説し、生体信号だけ残りハム雑音
だけが除去される理由を述べる。

生体から検出する信号には、生体信号に周期性
雑音が混入している。この検出信号１１の標本化
過程において、サンプラー１２のサンプルレート
を周期性雑音の周波数の128倍に同期させて標本
化する。

サンプラー１２で得られた各標本の値は、周期
性雑音の成分の値と周期性雑音とは非同期状態に
ある生体信号の成分の値との合成であり第四図に
示す如く両者の和（重畳）の形態で存在してい
る。

この標本列の値をＡ−Ｄ変換した後、分割器６
の共通片６ａを経由させて128個準備したメモリ
８に蓄積する。

分割器６の共通片６ａは128個の接点６ ００
０〜６ １２７を一巡切り替えし、128個の標本
列のデイジタル検出信号Ａ０〜Ａ１２７をメモリ
８ ０００〜８ １２７へ記憶する。この記憶が
周期性雑音の一周期について完了すると、分割器
６の共通片６ａは第二回目のサイクルに入り第一
番目の接点６ ０００に戻り、第二サイクル目の
第一番目の標本の値B0をメモリ８ ０００に遣
り信号A0に信号B0を加算累積し且つ記憶してい
く。

以後この累積記憶操作を続行するのでありこの
場合、各各のメモリ８に累積記憶される値につい
て以下に説明する。

各標本は生体信号の成分と周期性雑音の成分と
の重畳である。

周期性雑音の周期とは非同期状態にある生体信
号の成分（この成分は交硫成分である）の値はメ
モリ８における累積加算の操作毎に生体信号の位
相推移（位相ずれ）を受けた値として順次加算さ
れていくこととなり、プラス値とマイナス値とが
無秩序に入力されることからメモリ８には蓄積が
できず、該メモリ８の加算累積値は各メモリ８
０００〜８ １２７ともに零である。

本発明装置で検出する生体信号は、周期性雑音
の周期に対して非同期であるから、統計的情報
（多数回の情報即ち入力信号の波を多周期累積し
てなる値）は、交流の一周期の平均値が零なる値
として得られるように零となつて蓄積ができず、
フイードバツクにおいて加算作用がない。従つて
検出信号１１の内生体信号は加算器２で減衰する
ことなくそのまま本発明装置から出力される。

この生体信号に成分に比して周期性雑音の成分
の値は同期加算即ち周期性雑音の同位相角におい
て標本化された値が同一メモリ８に同期して累積
加算されるので、この累積加算の結果は各メモリ
８ ０００〜８ １２７とも時間の経過と共に値
が逐次累積増加していく。

周期性雑音の成分を128個の標本に分けて記憶
する場合、各メモリ８ ０００〜８ １２７の内
の一個のメモリ８ ０００は、128個に分割した
周期性雑音の内の一個を累積記憶することにな
る。この累積記憶値はメモリ８への入力の回数を
重ねる度に累積増加していくが、本発明装置のフ
イードバツクループは負帰還回路（ネガテイブフ
イードバツクループ）であるので、検出する周期
性雑音の値を打ち消すに相当する値を蓄えると加
算器２の出力信号が零に近づきメモリ８への入力
も零に近づくためメモリ８の累積記憶値は所定値
に収束するのである。

即ち、周期性雑音の標本列が累積記憶されたメ
モリ８の数値を、周期性雑音の略一周期遅れをも
つて選択器５で順次取り出し、取り出した信号を
符号反転器４で符号反転した後、1/2048を掛けて
減小（減衰）させ、この減少させた信号を検出信
号１１に逆位相加算（ネガテイブフイードバツ
ク）することにより、加算器２から出力されるデ
イジタル検出信号中の周期性雑音は「累積記憶値
÷2048」だけ差し引かれて減衰した値となりその
値がメモリ８に累積加算されていく。

以後、前記フイードバツクループによる加算の
作動の結果、各メモリ８ ０００〜８ １２７に
累積される値が検出信号１１中に含まれる周期性
雑音の振幅の2048倍に達した時、フイードバツク
ループは平衡状態となる。

前記フイードバツクループによる加算の作動
は、検出する周期性雑音の変化に適応して追従作
動するものであり、各メモリ８ ０００〜８ １
２７の周期性雑音成分の累積記憶値は常に現時点
において検出信号に含まれている周期性雑音の除
去に必要な値即ち周期性雑音の振幅の略2048倍の
値に追従し、常に平衡状態に至ろうとする。

本発明装置は、検出信号中に含まれている周期
性雑音の数周期分の周期性雑音の波を累積記憶
し、この累積記憶値に係数1/2048を掛けて平均値
を出し、この平均値を検出信号に逆位相加算する
ことによつて、検出信号１１中に混入している周
期性雑音を相殺除去するものであり、周期性雑音
の統計的情報即ち2048回の加算情報に基づき、周
期性雑音を適応除去する適応フイルターである。

また同期発振器１０の発振定数であるＮを本実
施例では128としたがこの発振定数即ち標本化の
サンプルレートは128に拘るものではない。同時
に係数器３の減少係数１／ＫのＫを本実施例では
2048としたが、第５図にも示す通りＫは大きいほ
ど周期性雑音のみを選択的に除去する効果が高く
なるのであり、この定数Ｋは生体信号の種類に応
じて適宜選択することにより生体信号に合せた処
理が可能である。

第５図はＫの値と振幅応答の対応の特性を示し
ており、縦軸Ｇは周期性雑音の振幅応答の減衰量
に対応し横軸Ｈは周期性雑音の基本周波数に対す
る偏差に対応している。ＩはＫ＝１、ＪはＫ＝
1000のグラフである。この第五図には、グラフＪ
はグラフＩに比して特定周波数以外の周波数に対
する減衰量が大きいことが示されている。

発明の効果 以上のように本発明による生体から検出する信
号中の周期性雑音の除去装置は、従来のRC等か
らなるフイルターを用いて周期性雑音を除去する
と周期性雑音（ハム雑音等）の近辺の周波数成分
を持つ生体信号も除去されるという問題を解消
し、検出信号に含まれる周期性雑音や検出信号中
に混在する周期的な固有の検出信号雑音のみを除
去することを可能にしたものである。更に周期性
雑音の基本波ばかりでなく高調波も同時に除去で
き、生体信号周波数成分には全く悪影響を与えな
いのである。

また経年変化や温度変化による周波数特性の劣
化が全くない生体から検出する信号中の周期性雑
音の除去装置である。

従つて生体信号の検出、増幅を行う場合その生
体から検出する信号中に含まれる周期性雑音のみ
を除去することができるので、忠実かつ正確に生
体信号を検出、測定することが可能となり、生体
現象の正確な計測に大なる効果を有するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のブロツク図であり、第２図は
周期性雑音の除去の過渡期を示し、第３図は周期
性雑音を除去した生体信号を示し、第４図は周期
性雑音を含む生体信号を示し、第５図は振幅応答
の特性を示す。 １……Ａ−Ｄ変換器、２……加算器、３……係
数器、４……符号反転器、５……選択器、６……
分割器、７……Ｄ−Ａ変換器、８……メモリ、９
……周期性雑音源、１０……同期発振器、１２…
…サンプラー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 生体の筋電信号を検出する装置において、検
   出信号１１に含まれる周期性雑音の周波数のＮ倍
   の周波数にロツクする同期発振器１０と、該同期
   発振器１０の発振周波数をサンプルレートとして
   標本化するサンプラー１２と、該サンプラー１２
   によつて標本化される検出信号をデイジタル変換
   するＡ−Ｄ変換器１と、該Ａ−Ｄ変換器１によつ
   てデイジタル化されたデイジタル検出信号をＮ個
   のメモリ８へ順次書き込む分割器６と、該分割器
   ６によつて順次書き込まれるデイジタル検出信号
   を順次累積記憶するＮ個のメモリ８と、該メモリ
   ８に累積記憶した累積信号を順次選択的に取出す
   選択器５と、該選択器５によつて選択的に取出さ
   れた累積信号の符号を反転させる符号反転器４
   と、符号が反転した累積信号を１／Ｋに減少させ
   る係数器３と、１／Ｋに減少した累積信号を前記
   デイジタル検出信号にフイードバツクの信号とし
   て加算するデイジタル式の加算器２と、該加算器
   ２によつてデイジタル検出信号に含まれる周期性
   雑音のみが前記フイードバツクの信号で除去され
   て、残つたデイジタル検出信号をアナログ検出信
   号に変換するＤ−Ａ変換器７とを有する生体から
   検出する筋電信号中の周期性雑音の除去装置。