JPH0211120A - 時変信号の波形部分を比較するための方法および装置 - Google Patents

時変信号の波形部分を比較するための方法および装置

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JPH0211120A
JPH0211120A JP1090523A JP9052389A JPH0211120A JP H0211120 A JPH0211120 A JP H0211120A JP 1090523 A JP1090523 A JP 1090523A JP 9052389 A JP9052389 A JP 9052389A JP H0211120 A JPH0211120 A JP H0211120A
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JP1090523A
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Robert M Armington
ロバート、エム、アーミントン
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Siemens AG
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/318—Heart-related electrical modalities, e.g. electrocardiography [ECG]
    • A61B5/346—Analysis of electrocardiograms
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、−船釣に波形モニタ装置に関し、−層詳細
には、心電図を比較するための方法および装置に関する
ものである。
〔従来の技術〕
波形モニタ装置はたとえば、種々の波形を有するより一
般化された時変信号の特定の波形部分を検出する。この
ような装置の特定の用途は不整脈検出器のような心臓モ
ニタ装置に見い出される。
不整脈検出器に一般に使用される波形検出器の共通的な
形態は入力波形の部分を記憶された波形と比較すること
である。この形式の比較では、入力波形の一部分が、検
出されるべき信号部分の順次の振幅の値を表す時間的に
順次の振幅値の群を含んでいるテンプレートとして記憶
される。テンプレートを形成するために検出されかつ使
用される初期信号部分はモニタ装置のオペレータにより
視覚的に選択されてよい。その後に、入力波形の時間的
に順次の振幅値の順次の群がモニタにより入力波形のモ
ニタ中に記憶されたテンプレート値と比較される。もし
予め定められた信頼水準よりも大きい相関が見い出され
れば、入力波形部分が記憶されたテンプレートと整合す
ることを指示する信号が発生される。
不整脈モニタリングの分野では、心電図（ＥＣＧ）信号
のＱＲＳ複合波が、それらが心房がら発したものか心室
から発したものかを判定するべく解析される。ＱＲ３Ｊ
ｊＩ合波を分類するのに使用される一般的な技術はそれ
らを既に分類されているテンプレートに記憶されている
他のＱＲ３複合波と比較することである。相関がしばし
ば２つのＱＲ３複合波の間の類似度を判定するのに使用
される。相関は下式に従って参照複合波Ｘ１および候補
複合波Ｘ２に関して行われる。
ｒ＝Σ　（ｘｌｔ　−ｘｉ）　Ｘ　（ｘ２ｔ　−ｘ　２
）＝平均値 もし相関係数ｒが定められた値、たとえば０．９８より
も大きいならば、候補複合波はそれが整合したテンプレ
ートと同一に分類される。
この技術の問題の一つは、相関係数を決定するために必
要とされる乗算および除算の数が多いために計算量が多
いことである。この問題は、整合が判定される以前に相
関が典型的に多くのテンプレートに関して行われるため
に複合される。たとえば、モニタ装置はＥＣＧ信号の種
々の部分に対する記憶されたテンプレートだけでなく特
殊な部分の回帰性の変動、たとえばＱＲ３複合波の回帰
性の変動をも含んでいるであろう、さらに、Ｔ波を含ん
でいる全ＱＲ３複合波を比較することが望ましいであろ
う、しかし、相関はかなりの処理を必要とするので、多
くのシステムは、必要とされる計算の量を減するために
、相関の目的でＱＲ３複合波のみを使用する。相関に伴
う追加的も問題は、相関がＱＲＳ基準点のミスアライン
メントに対して敏感であることである。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の課題は、テンプレートに記憶されるサンプルの
数を減じ、それにより実行されなければならない計算の
数を減することにより、波形比較処理を簡単化すること
である０本発明の他の課題は、複雑でない手段を使用し
て波形間の信頼性に冨む比較を迅速に行うため、実行す
る必要のある計算の複雑さを減することである。
〔課題を解決するための手段〕
この課題は請求項１および６に記載された方法および手
段により解決される。
〔作用効果〕
最も広い局面で、本発明は、入力波形の部分をサンプリ
ングするため、また縮減されたテンプレートを作りかつ
記憶するため元のテンプレートのサンプルを修正するた
めの方法および装置を含んでいる。縮減されたテンプレ
ートの各要素は元のテンプレートの少なくとも２つのサ
ンプルの組み合わせから形成される。これは、実際上、
追加的な情報を１１減されたテンプレートの各要素のな
かへエンコードする。入力波形の順次の部分は、候補テ
ンプレートの信号要素を形成するべく元のテンプレート
のサンプルと同一の仕方で処理され、候補テンプレート
は次いで、記憶されたテンプレートおよび候補テンプレ
ートの整合を判定するため、以前に記憶された縮減され
たテンプレートと比較される。
記憶された縮減されたテンプレートもしくは候補テンプ
レートの要素の各々は元のサンプルの少なくとも２つか
ら形成されるので、各要素のなかに含まれている波形情
報の特性は、そのなかにエンコードされた複数個の元の
サンプルからの情報を有する点で、元のサンプルと異な
っている０本願発明者は、相関を使用して典型的に行わ
れるような、元のサンプルを使用して整合の類似の信鯨
水準を得るために必要とされる計算と比較して、より簡
単でより迅速な計算が波形整合のためにこれらの要素を
使用して行われる得ることを見い出した。
好ましい実施ＬｇＩ様では、波形検出器は、解析される
べき時変信号の所望の部分の波形を表す時間的に順次の
振幅値の元のテンプレートを確立するための手段と、元
のテンプレートの振幅値を正規化するための手段と、縮
減されたテンプレートを形成するため前記の元のテンプ
レートの前記の正規化された振幅の少なくとも２つの群
を組み合わせるための手段とを含んでいる。その後に、
時変人力信号の振幅サンプルの順次の群が、順次の候補
の縮減されたテンプレートを形成するため、類個に組み
合わされる。順次の候補テンプレートの要素は、整合さ
れた波形を判定するため、簡単な加算および（または）
差引処理により最初のｍ滅されたテンプレートの要素と
比較される。
本発明の他の特徴および利点は以下の好ましい実施例の
説明および特許請求の範囲から明らかになろう。
本発明のより完全な理解のためには、本発明の好ましい
実施例の以下の詳細な説明お添付図面を参照されたい。
〔実施例〕
本発明の波形モニタが第１図に心臓不整脈モニタとして
示されている。患者（図示せず）の心臓２の筋肉の膨脹
および収縮により発生された電気信号は心電図（ＥＣＧ
）を極４により通常の仕方で検出される６通常のＥＣＧ
増幅器６がＥＣＧｔ極４により検出された電気信号をフ
ィルタし、増幅し、また組み合わせ１、またその出力端
に心臓２の電気的活動度を表す時変信号を発生する。第
２図の時変波形８は正常な成人のＥＣＧの単一の心拍部
分を示す。典型的なＥＣＧ波形は正の極性のＰ波と、負
のＱ波、正のＲ波および負のＳ波から成るＱＲ３複合波
と、正の極性のＴ波とを含んでいる。Ｒ波は一般にＥＣ
Ｇ信号の最も目立つ部分である。
通常の仕方で、アナログ−ディジタル変換器（Ａ−Ｄ）
１０がＥＣＧ波形をサンプルし、またその出力端にたと
えば４００Ｈｚの速度で波形８の振幅の順次のディジタ
ル表現を生ずる。メモリ１２は、Ａ−Ｄ変換器１０から
のディジタル信号を受け、またＥＣＧ波形の３００ｍ５
部分に対するディジタル表現を記憶するバッファ１４を
含んでいる。
同時に、ＱＲ３検出器１８が通常の仕方で、たとえば第
２図の波形８により示されているようにＲ波のピークに
相当するＥＣＧ波形のピークを検出することによりＱＲ
３複合波を検出する。この仕方で、ＱＲ３検出器１日の
出力はバッファ１４から初期テンプレートメモリ１６へ
のディジタル表現の流れを制御するのに使用される。好
ましい実施例では、初期テンプレートメモリ１６は初期
テンプレートを、各ＱＲ３複合波のディジタル振幅サン
プルがＲ波のピークと一致し、２つのサンプルがこのピ
ークの前に与えられ、また５つのサンプルがこのピーク
の後に与えられるように順次に記憶する。これらの８サ
ンプルはその隣接するサンプルから５０ｍ５の間隔をお
かれている。これらの８サンプルは第２図の波形中に点
により示されており、また単一の初期テンプレートを表
す。
各初期テンプレートが初期テンプレートメモリ１６に記
憶され、また次いで処理される間に、バッファ１４の他
の部分はＥＣＧ信号の次の３００ｍ５部分を記憶するた
めに利用されている。
本発明の原理によれば、ＱＲ３複合波を表す初期テンプ
レートは、縮減された数の要素を有する縮減されたテン
プレートを形成するべく、さらに処理される。−層詳細
には、プロセッサ２０は先ずメモリ１６に記憶された初
期テンプレートのサンプルを正規化するにれは、後の処
理段階でのＱＲ３振幅変動の影響を除去するために行わ
れる。
好ましい実施例では、正規化は、最初に記憶されたテン
プレートの最大サンプル振幅値に値１６を割り当て、ま
た最小サンプル振幅値に値０を割り当てることにより行
われる。このプロセスは、縮減されたテンプレートの各
サンプルを４ビット語として表すことを可能にする。た
とえば、もし初期テンプレートが ｘ　＝　（０，０，１００，１０，０，２，１５，３０
）であったならば、正規化されたテンプレートはｘ＝　
（０，０，１６，Ｌ　Ｏ，０，２，４）となる。
その後、縮減されたテンプレートの各要素が、正規化さ
れたテンプレートのサンプルの選択された１つを組み合
わせることにより形成される。好ましい実施例では、組
み合わせはプロセッサ２０により下式に従って行われる
。
この式によれば、第１の縮減されたテンプレートは ｙ−［０，０，１４，−３） となり、またこれらの４つのディジタル値が一時的にバ
ッファメモリ２２のなかに記憶される。コンパレータ２
４がバッファメモリ２２に記憶されたテンプレートを縮
減されたテンプレートメモリ２６に既に記憶されたテン
プレートと比較する。
もし、第１の縮減されたテンプレートの場合のように、
整合が見い出されなければ、そのテンプレートはバッフ
ァメモリ２２から転送され、またメモリ２６の第１テン
プレート位置に記憶される。
メモリ２６は複数個の縮減されたテンプレートを記憶す
るため十分なメモリ位？ｌ！および入力／出力多重化を
有する。
次のＱＲ３複合波は構成要素４〜２０により類似に処理
され、また縮減されたテンプレートメモＩＪ２６に記憶
するための候補としてバッファ２２により与えられる。
コンパレータ２４は、各候補テンプレートをメモリ１６
に先に記憶されたテンプレートと順次に比較することに
より各候補テンプレートを検査する。もし候補テンプレ
ートが記憶されたテンプレートと同一である、すなわち
“整合している”とみなされれば、それらのディジタル
値が、比較可能な波形部分が波形全体のなかの徐々に生
起する小さい変化を追跡し得るように、平均化される。
もしテンプレートが整合しなければ、候補テンプレート
は縮減されたテンプレートメモリ２６に新しい縮減され
たテンプレートとして記憶される。またコンパレータ２
４は、後で一層詳細に説明するように、候補テンプレー
トおよび縮減されたテンプレートに関する測定された特
徴を比較する。
縮減された各テンプレートは初期テンプレートの要素の
半数の要素を有するので、ＩＩ減されたテンプレートを
記憶するためのメモリスペースは少なくてすむ、さらに
、縮減されたテンプレートの各要素を形成するため初期
テンプレート内のサンプルを組み合わせるので、本願発
明者は、整合を判定するのに、通常の信号相関技術と比
較して、簡単化された比較プロセスが使用され得ること
を見い出した。好ましい実施例では、縮減された各候補
テンプレートは、テンプレートの間の類似度の尺度であ
る下式に従って記憶されたテンプレートと比較される。
Ｓ−Σ　Ｉｙｌ　　（ｉ〕−ｙ２　　（ｉｌ　　ｌもし
Ｓの値が特定のしきいよりも小さいならば、テンプレー
トは整合しているとみなされる。
この形式の比較は通常の相関技術と比較して、比較的小
数の簡単な差引により行われ、計算量がはるかに少なく
てすむので、従来の技術にくらべて有利である０本発明
の簡単化された波形比較方法および装置によれば、従来
の技術による心臓モニタと比較して低いコストで、はる
かに多数のテンプレートが記憶され、比較され、また分
類され得る。追加的に、ＥＣＧ信号のより大きい部分が
、たとえばＴ波部分の分を含めることにより、回路の複
雑さの非常にわずかな追加コストで処理され得る。
利用手段２日は、有用な心臓モニタ指示を与えるため、
縮減されたテンプレート２２に記憶された情報を使用す
る。たとえば、好ましい実施例では、利用手段２８は、
特徴分類の予めプログラムされたリストを含んでおり、
またコンパレータ２４と協同して縮減されたテンプレー
トを予め定められたクラスに分類する。このような分類
は種々のＱＲＳ特徴、たとえばＱＲ３複合波の種々の部
分の間の時間間隔、それらの相対的振幅値およびそれら
の生起頻度の測定に基づいて行われ得る。
いったんテンプレートが分類されると、利用手段２８内
のリズム検出器（図示せず）が、心ＷＲ２の条件を指示
するため、リズムの異常なパターンまたはシーケンスが
生起するか否かを検査する。たとえば、利用手段２８の
リズム検出器は、もし２つの相続く早発性心室拍動（カ
ップレット）が検出されるならば、警報をトリガするよ
うにプログラムされていてよい、マイクロプロセッサコ
ントローラ３０は第１図の装置の作動のための必要な制
御信号を与える。
第３図のフローチャートには、第１１！ｌの心臓モニタ
の作動が一層詳細に示されている。最初に、第１のＱＲ
Ｓ？Ｊ［合波が検出され、縮減されたテンプレートが形
成され、また次いでバッファメモリ２２に記憶される（
ステップ２１０〜２１４）。
これは第１のテンプレートであるから、先に記憶された
テンプレートとの整合は存在せず、また初期テンプレー
トがｆＩ減されたテンプレートメモリ２６のなかの第１
のテンプレートの記憶位置に記憶される（ステップ２１
６〜２２０）、さらに、先に測定されたＱＲ３ｖｆ徴も
この時点でそのそれぞれのテンプレートと共に記憶され
る。これらの特徴は後で、記憶されたテンプレートを正
常マイクロプロセッサ異常とじて分類するのに使用され
る。順次のＱＲ３複合波は、候補としてコンパレータ２
４に与えられて、そこに既に記憶されている縮減された
テンプレートと比較される新しい縮減されたテンプレー
トを形成するべく、類似に処理される。もし比較結果が
記憶されたテンプレートの１つとの整合を示すならば、
縮減された候補テンプレートの要素および特徴値は、そ
れが整合したテンプレートの値と平均化される（ステッ
プ２２２）、もし整合が存在しなければ、縮減された候
補テンプレートは新しい縮減されたテンプレートとして
記憶される。このプロセスは、゛学習モード”を定義す
るＱＲＳ複合波の数にわたり継続する。いまの例では、
学習モードは、テンプレート記憶位置の１つが１０の整
合を有するようになるまで継続する。その時点で、記憶
されたテンプレートおよびそれらの特徴が、それらの１
つを正常として定義するべく処理され、またその後にそ
の特徴が、メモリ２６に記憶されたテンプレートを正常
または異常として分類するのに使用される（ステップ２
２４〜２２８）、その後に、ステップ２３０〜２３４に
より示されているように、順次の候補テンプレートが、
それらの特徴を（整合の後、ステップ２２２）正常とし
て定義された特徴と比較することにより正常または異常
として分類され、またリズム検出器が、たとえば正常お
よび異常ＱＲ３複合波の特別なシーケンスが検出される
時には常に、警報を発する。
意図する目的および利点のすべてを満足する時変波形の
波形部分を比較するための新規な装置を説明し図示して
きた。しかし、本発明の多くの変更および応用がその好
ましい実施例を開示するこの明細書および添付図面を考
察することにより当業者に明らかになる。たとえば、本
発明を取り入れた不整脈検出器は一層一般化された心臓
モニタの一部分であってよい、追加的に、縮減されたテ
ンプレートを形成する以前に初期テンプレートが正規化
されることは必要ではない、さらに、縮減されたテンプ
レート内のサンプルの数は変更されてよく、また初期テ
ンプレートの他の形式の組み合わせ、たとえば加算、差
引、乗算または除算を含む組み合わせが縮減されたテン
プレートの各サンプルを形成するために使用されてよい
、縮減されたテンプレートの比較が、好ましい実施例で
使用された８４以度の簡単な尺度以外の手段により行わ
れてよいことは理解されよう、たとえば、通常の相関技
術が使用され得よう、最後に、第１図の装置のかなりの
部分がディスクリートなハードウェア要素ではなくソフ
トウェア処理により行われ得ることは理解されよう、す
べてのこのような変更および応用は、特許請求の範囲に
よってのみ限定される本発明の範囲内に属するものとす
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による波形モニタの一実施例を示す作動
工程図、第２図は典型的なＥＣＧ波形を示す図、第３図
は第１図のモニタの作動の簡単化されたフローチャート
である。 ２・・・心臓 ４・・・ＥＣＧ電極 ６・・・増幅器 １０・・・アナログ−ディジタル変換器１２・・・メモ
リ １４・・・バッファ １６・・・初期テンプレートメモリ ２０・・・プロセッサ ２２・・・バッファ ２４・・・コンパレータ ２６・・・ｍ滅されたテンプレートメモリ２８・・・利
用手段

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １）少なくとも１つの時変信号の波形部分を比較するた
    めの方法において、 前記時変信号の波形部分の順次に時間間隔 をおいたサンプルの振幅を表すディジタル信号サンプル
    の初期テンプレートを形成する工程と、 前記初期テンプレートの対応するもののな かのサンプルの数よりも少ない多数のディジタル信号要
    素を有する縮減されたテンプレートを形成する工程であ
    って、前記の縮減されたテンプレートの各要素はその対
    応する初期テンプレートからの少なくとも２つのサンプ
    ルの組み合わせを含む工程と、 前記の少なくとも２つの縮減されたテンプ レートにより表される前記時変信号のそれぞれの部分の
    類似度を表す信号を導き出すため、前記の縮減されたテ
    ンプレートの少なくとも２つの対応する要素を処理する
    工程と を含んでいることを特徴とする時変信号の波形部分を比
    較するための方法。 ２）第１および第２の予め定められた値をそれぞれ前記
    初期テンプレートの最大および最小値のディジタル信号
    サンプルに割り当てることにより前記初期テンプレート
    のディジタル信号サンプルを正規化する工程をも含んで
    いることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３）前記の縮減されたテンプレートを形成する工程が、 前記の縮減されたテンプレートの各要素を 形成するため、前記初期テンプレートに含まれているサ
    ンプルの全数の１／２だけ間隔をおかれている前記初期
    テンプレートの時間間隔をおかれたサンプルの異なる対
    を順次に差し引く工程を含んでいることを特徴とする請
    求項１記載の方法。 ４）前記処理工程が、前記それぞれの波形部分の類似度
    を表す前記信号を導き出すため、前記の縮減されたテン
    プレートのそれぞれ１つの対応する要素の差し引きの結
    果を加算する工程を含んでいることを特徴とする請求項
    １記載の方法。 ５）前記加算の結果をしきいレベルと比較し、また、前
    記加算の結果が前記しきいレベルを超過しない時に、前
    記の縮減されたテンプレートにより表される前記波形部
    分の整合を指示する工程を含んでいることを特徴とする
    請求項４記載の方法。 ６）少なくとも１つの時変信号の波形部分を比較するた
    めの装置において、 前記時変信号の波形部分の順次に時間間隔 をおいたサンプルの振幅を表すディジタル信号サンプル
    の初期テンプレートを形成するための手段と、 前記初期テンプレートの対応するもののな かのサンプルの数よりも少ない多数のディジタル信号要
    素を有する縮減されたテンプレートを形成するための手
    段であって、前記の縮減されたテンプレートの各要素は
    その対応する初期テンプレートからの少なくとも２つの
    サンプルの組み合わせを含んでいる手段と、前記の少な
    くとも２つの縮減されたテンプ レートにより表される前記時変信号のそれぞれの部分の
    類似度を表す信号を導き出すため、前記の縮減されたテ
    ンプレートの少なくとも２つの対応する要素を処理する
    ための手段とを含んでいることを特徴とする時変信号の
    波形部分を比較するための装置。 ７）第１および第２の予め定められた値をそれぞれ前記
    初期テンプレートの最大および最小値のディジタル信号
    サンプルに割り当てることにより前記初期テンプレート
    のディジタル信号サンプルを正規化するための手段をも
    含んでいることを特徴とする請求項６記載の装置。 ８）前記の縮減されたテンプレートを形成するための手
    段が、 前記の縮減されたテンプレートの各要素を 形成するため、前記初期テンプレートに含まれているサ
    ンプルの全数の１／２だけ間隔をおかれている前記初期
    テンプレートの時間間隔をおかれたサンプルの異なる対
    を順次に差し引くための手段を含んでいることを特徴と
    する請求項６記載の装置。 ９）前記処理手段が、前記それぞれの波形部分の類似度
    を表す前記信号を導き出すため、前記の縮減されたテン
    プレートのそれぞれ１つの対応する要素の差し引きの結
    果を加算する手段を含んでいることを特徴とする請求項
    ６記載の装置。 １０）前記加算の結果をしきいレベルと比較するための
    手段と、 前記加算の結果が前記しきいレベルを超過 しない時に、前記の縮減されたテンプレートにより表さ
    れる前記波形部分の整合を指示するための手段とを含ん
    でいることを特徴とする請求項９記載の装置。 １１）心電図（ＥＣＧ）信号をモニタするための装置に
    おいて、 アナログＥＣＧ信号を発生するための電極 と、 前記アナログＥＣＧ信号の順次に時間間隔 をおかれた間隔で振幅を表すディジタルＥＣＧ信号を発
    生するためのＡ−Ｄ変換手段と、前記ＥＣＧ信号の相続
    く部分に対する前記 ディジタル信号サンプルの相続く初期テンプレートを形
    成するための手段と、 対応する縮減されたテンプレートの要素を 形成するため各初期テンプレートの少なくとも２つのデ
    ィジタル信号サンプルを組み合わせるための手段と、 前記の少なくとも２つの縮減されたテンプ レートにより表される前記ＥＣＧ信号のそれぞれの部分
    の類似度を表す信号を導き出すため、前記の縮減された
    テンプレートの少なくとも２つの対応する要素を処理す
    るための手段と を含んでいることを特徴とする心電図信号をモニタする
    ための装置。 １２）第１および第２の予め定められた値をそれぞれ前
    記初期テンプレートの最大および最小値のディジタル信
    号サンプルに割り当てることにより前記初期テンプレー
    トのディジタル信号サンプルを正規化するための手段を
    も含んでいることを特徴とする請求項１１記載の装置。 １３）前記の縮減されたテンプレートを形成するための
    手段が、 前記の縮減されたテンプレートの各要素を 形成するため、前記初期テンプレートに含まれているサ
    ンプルの全数の１／２だけ間隔をおかれている前記初期
    テンプレートの時間間隔をおかれたサンプルの異なる対
    を順次に差し引くための手段を含んでいることを特徴と
    する請求項１１記載の装置。 １４）前記処理手段が、前記それぞれの波形部分の類似
    度を表す前記信号を導き出すため、前記の縮減されたテ
    ンプレートのそれぞれ１つの対応する要素の差し引きの
    結果を加算する手段を含んでいることを特徴とする請求
    項１１記載の装置。 １５）前記加算の結果をしきいレベルと比較するための
    手段と、 前記加算の結果が前記しきいレベルを超過 しない時に、前記の縮減されたテンプレートにより表さ
    れる前記波形部分の整合を指示するための手段とを含ん
    でいることを特徴とする請求項１４記載の装置。
JP1090523A 1988-04-13 1989-04-10 時変信号の波形部分を比較するための方法および装置 Pending JPH0211120A (ja)

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