JPH024300A

JPH024300A - あいまいオートマトンを用いた波形解析方法

Info

Publication number: JPH024300A
Application number: JP63154049A
Authority: JP
Inventors: Kenji Omori; 健児大森
Original assignee: KOORIN DENSHI KK; Colin Electronics Co Ltd
Current assignee: KOORIN DENSHI KK; Colin Electronics Co Ltd
Priority date: 1988-06-22
Filing date: 1988-06-22
Publication date: 1990-01-09
Anticipated expiration: 2013-03-25
Also published as: JP2730910B2

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】産業上の利用分野本発明は、被解析波形を解析するに際し、所謂あいまい
オートマトンを用いて、被解析波形に予め定めた基準波
形パターンの特徴が存在しているか否かにより、被解析
波形を解析する方法に関するも、のである。

従来の技術およびその課題循環器の疾患を診断するために解析される心電波形およ
び脈波形、音声認識のために解析され°る音声波形、遠
距離通信のときに識別される信号波形などのように、被
解析波形中に予め定められた基準波形パターンが存在す
るか否かに基づいて解析をするものとして、所謂パター
ンマツチング手法がある。このようなパターンマツチン
グ手法の一種に、ＤＰ（ダイナミックプログラミング）
マツチングが知られている。このようなりＰマッチング
は、たとえば音声認識の分野において広く用いられてい
る技術であって、基準波形パターンと被解析波形とを時
間軸上で相対移動させつつ両者のマツチングを検出する
ものであり、被解析波形の時間軸上での伸縮を吸収する
ことができる特徴がある。しかし、このＤＰマツチング
によれば、被解析波形に誤差が含まれると、マツチング
が困難となり、また、得られた結果に対する理由付は或
いは因果関係を明確に説明できる要素に欠けるという不
都合があった。

また、パターンマツチング手法の他の一種に、ヒドンマ
ルコフ過程が知られている。この方法は、被解析波形を
確率モデルで表現することにより波形を解析しようとす
るものであるので、状態に意味を持たせることができ、
得られた結果に対しである程度の理由付は−をすること
ができるが、状態をブラックボックスとして与えるため
に理由がある程度曖昧となることが避けられない。

すなわち、上記ＤＰマツチングやヒドンマルコフ過程を
波形解析に用いた場合には、得られた結果に対する信頼
性が確実に得られない場合があるのである。

本発明者等は、以上の事情を背景として種々研究を重ね
た結果、・被解析波形にファジー処理を施すことにより
、誤差を含むが或る程度の確かさを保証したあいまいな
ファジーデータとし、このあいまいなファジーデータを
、基準波形パターンの特徴を検出するために予め定めら
れた有限数の状態を備え且つ或る状態から他の状態へ遷
移する条件範囲がファジーデータ表現により定められた
有限オートマトンに入力させ、ファジーデータの入力終
了点における状態の確信度に基づいて被解析波形の特徴
の存否を判定すると、データ処理が簡単となり且つ信頼
性の高い波形解析結果が容易に得られることを見出した
。本発明は、斯る知見に基づいて為されたものである。

課題を解決するための手段すなわち、本発明の要旨とするところは、被解析波形の
一部分若しくは全部を、予め定められた基準波形パター
ンの特徴が存在しているか否かに基づいて解析する方法
であって、（ａ）前記被解析波形を、所定の小区間毎に
、予め定められた複数段階の傾斜度に分類することによ
り、ファジーデータを作成するファジー化工程と、（ｂ
）前記基準波形パターンの特徴を検出するために予め定
められた複数種類の状態を備え且つ或る状態から他の状
態への遷移条件の範囲が前記複数段階の傾斜度に基づい
て定められているあいまいオートマトンを用いて、前゛
記ファジーデータを順次処理する処理工程と、（Ｃ）そ
の処理工程による処理により、前記ファジーデータの入
力終了時点における前記あいまいオートマトンの状態の
確信度に基づいて、前記被解析波形内に前記基準波・形
パターンの特徴が存在しているか否かを判定する判定工
程とを、含むことにある。

作用このようにすれば、ファジー化工程において、誤差を含
む被解析波形が、所定の小区間毎に、予め定めれらた複
数段階の傾斜度に分類されることにより、ある程度の確
かさが保証されたあいまいなファジーデータに変換され
た後、処理工程において、そのファジーデータが、基準
波形パターンの特徴を検出するために予め定められた複
数種類の状態を備え且つ或る状態から他の状態への遷移
条件の範囲が前記複数段階の傾斜度に基づいて定められ
ているあいまいオートマトンを用いて処理され、そして
、判定工程において、前記ファジーデータの入力終了時
点におけるあいまいオートマトンの状態の確信度に基づ
いて前記被解析波形内に基準波形パターンの特徴が存在
しているか否かが判定される。

発明の効果上記のように、本発明によれば、被解析波形が、所定の
小区間毎に、予め定めれらた複数段階の傾斜度にある程
度の確かさを保証したあいまいなファジーデータに変換
された後、複数の状態および状態間の遷移条件が明確な
あいまいオートマトンを用いて解析されるので、データ
処理が比較的簡単となり且つ信頼性の高い波形解析結果
が得られるのである。

実施例以下、本発明の一連用例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図において、脈波センサ１０は、たとえば撓骨動脈
、足背動脈、頚動脈などの生体の動脈上に装着されると
ともに、脈波が効率よく検出されるような最適な圧力で
動脈に押圧され、その動脈から発生する脈波を表す脈波
信号ＳＭを出力するものである。この脈波信号ＳＭの大
きさは、動脈内の血圧値に対応している。脈波信号ＳＭ
は、Ａ／Ｄ変換器１２を通してＣＰＵ１４に逐次入力さ
れる。ＣＰＵ１４は、ＲＯＭ１６、ＲＡＭ１Ｂとともに
マイクロコンピュータを構成し、ＲＡＭｌ８の記憶機能
を利用しつつＲＯＭ１６に予め記憶されたプログラムに
従って入力信号を処理し、インタフェース２０を介して
表示装置２２へ表示信号を出力する。本装置の場合には
、上記プログラムに従って脈波信号ＳＭから生理的年齢
を判定する。

以下、第２図のフローチャートに従って作動を説明する
。

先ず、ステップＳ１およびＳ２が実行されることにより
、ＲＡＭ１８内に記憶された脈波信号ＳＭのうち、たと
えば１周期に相当する脈波信号ＳＭが読み出されて、た
とえば２５ｍ５間隔の区間毎の平均値が求められる。こ
の平均値を示す一連の平均データｂｐｔにより表された
脈波は第３図に示すものであり、Ａ／Ｄ変換器１２のサ
ンプリング周期（１ｍｓ）に対応したポイントにて第４
図に示される上記脈波信号ＳＭの波形（被解析脈波）に
比較して殆ど異なるところがない。上記ステップＳ１の
データ圧縮処理は、少ないデータで大量の波形を扱うこ
とができるようにして、波形診断処理に消費される時間
や、ＲＯＭ１６或い“はＲＡＭ１８内において占められ
る記憶領域を少なくする。

上記の場合には２５ｍ５間隔の区間毎の平均値が求めら
れるので、１／２５に軽減される。

ステップＳ３においては、ステップＳｌにおいて求めら
れた一連の平均データｂｐｔから、次式（１）に従って
一連の差分データｂｐｄ、が求められ、この差分データ
ｂｐｄ　Ｌにより被解析脈波を表すようにする。ここで
、ｂｐｔはｔ番目の平均データであり、ｂｐｄｔはｔ番
目の差分データである。また、Δは、平均データｂｐｔ
が算出された区間の時間間隔を示している。上記差分デ
ータｂｐｄｔにより被解析脈波が表される理由は、変化
の度合、すなわち傾きにて示した方が、脈波の傾向をよ
り的確に表すことができるためである。

ｂｐｄｔ＝　（ｂｐｔ　　ｂｐｔ−＋）　ｉΔ　・・・
（１）値を、たとえば第１表に示すように急激な増加、
相当の増加、増加、変化なし、減少、相当な減少、セ、
激な減少という７段階に対応したファジー値に変換する
のである。

第１表ステップＳ４においては一連の差分データｂｐｄｔを複
数段階の傾きの度合（傾斜度）に分類付けすることによ
り、ファジーデータを作成する。すなわち、差分データ
ｂｐｄｔは、測定器の誤差、測定時の誤差、測定対象か
らの誤差などが混入しているので、絶対的に正しいもの
ではないが、ある程度のあいまいさを含んだ正しいデー
タとして取り扱うことができるため、本実施例では、被
解析波形の傾斜度を小区間毎に示す差分データｂｐｄｔ
の脈波信号ＳＭにより入力された被解析波形は、上記の
ようにファジーデータによって表されることにより、日
常用いる言葉に近い表現によって表される。たとえば、
第５図に示す幼児期の脈波は、急激な増加が続いた後で
、変化のない部分がほんの少しあり、その後、相当な減
少をした後で相当な増加を少し行い、その後このような
変化をもう一度繰り返した後で、相当に減少し続けると
いうように表され得る。なお、脈波信号ＳＭには誤差が
含まれているため、上記のファジー値は、単にその変化
の程度に属する確率が高いことを示しているに過ぎない
。たとえば、増加といった場合には、増−加状態である
確率が最も高いが、相当の増加とか変化なしという確率
もある。この確率をメンバーシップ値（＝確信度）と称
し、ファジー値とメンバーシップ値との関係を表したも
のをメンバーシップ関数（＝ファジー関数）と称する。

第６図は、ファジー値が「０」についてのメンバーシッ
プ関数を例示するものであり、他のファジー値も同様の
メンバーシップ関数により示される確信度を備えている
。

ステップＳ５においては、予め記憶された自動判定アル
ゴリズムであるあいまいオートマトンにファジーデータ
が順次入力される。このあいまいオートマトンは、前記
ファジーデータ化された被解析脈波と基準波形パターン
との直接比較が煩雑であるところから、基準波形パター
ンの特徴の一部若しくは全部を的確に表現するために案
出されたものであり、基準波形パターンの特徴を示すた
めの有限の状態を備えているのでを限オートマトンとも
称される。このあいまいオートマトンの各状態は、脈波
即ち基準脈波パターンの或る特徴を示している。第７図
、第８図、第９図は、予めＲＯＭ１６に記憶されたあい
まいオートマトンの一例であって、脈波の最大ピーク（
最高血圧）後の山の数を調べるためのオートマトン１、
脈波の最大ピーク後の平坦部の数を調べるためのオート
マトン２、脈波の最大ピーク後に下がり続ける中に１つ
の平坦な部分と１つの平坦または上がる部分が順に存在
していることを調べるためのオートマトン３を示してい
る。

ここで、上記あいまいオートマトンの各状態Ｓ五は、フ
ァジーデータの人力に対応してあいまいに定まるもので
ある。すなわち、各状態Ｓｉは、その状態に存在してい
る程度を表す確信度を有しているものとし、あるファジ
ーデータの入力が与えられたとき、どの状態へ遷移する
かの遷移条件の範囲が予め定められている。確信度が零
でない状態は、活性化されているといい、ファジーデー
タの入力を受は付けることができるものとする。また、
人力ａにより或る状態Ｓ＝から他の状態３１．１に遷移
するに際しては、遷移条件範囲に示されたファジー値の
確信度を示すファジー関数と入力ａの確信度を示すファ
ジー関数とのうち、小さい方の値の最大値を決定（ＭＩ
Ｎ−ＭＡχ演算）し、この最大値を状態Ｓ　ｉ　＋　１
の確信度とする。さらに、複数の状態から同一の状態へ
遷移する場合には、遷移先の状態の確信度は、遷移する
確信度のうちの最大のものが採用される。

たとえば、第７図のオートマトン１において、初期状態
では状態ＳＯだけが確信度１とされて活性化されている
。このとき、ファジー値「−１」が入力されたとすると
、ファジー値「−１」が状態ＳＯの維持条件に含まれる
ことから状態ＳＯが確信度１．０に維持されるとともに
、ファジー値「−１」が状態ＳＯから状態Ｓ１への遷移
条件範囲一３乃至−１内に含まれるから状態Ｓ２への遷
移が行われ、状態Ｓ１の確信度が１．０とされる。しか
し、ファジー値「０」が入力されたとすると、ファジー
値「０」が状態ＳＯの維持条件に含まれることから状態
ＳＯが確信度１．０に維持されるとともに、ファジー値
「０」が状態ＳＯから状態Ｓ１への遷移条件範囲一３乃
至−１内に含まれないにも拘わらず、状ｊｌｑｓ１への
遷移が行われ、状態Ｓ１の確信度が０．５とされる。す
なわち、ファジー値「０」自体があいまいであってその
確信度が第６図のファジー関数Ｆ０に示す如くであり、
上記遷移条件範囲自体もあいまいであってその確信度が
第１０図のファジー関数Ｆ−，〜３に示す如くであるか
ら、第１１図に示すように、ＷＩＮ−ＭＡＸ演算の結果
が０．５となり、状態Ｓ１の確信度が０．５となるので
ある。

このようにして、１脈波分のファジー値が順次オートマ
トンに入力されると、各オートマトンにおける特定の状
態の確信度は、それに到達するパターンマツチングのな
かで最も似ていると思われるものに対する適合度を与え
ていると考えることができるのである。すなわち、オー
トマトン１の状態Ｓ５の確信度カ月、Ｏである場合には
、入力されたファジーデータに対応した脈波形状におい
て最大ピーク後に山が２つ存在することを示している。

また、オートマトン２の状態Ｓ５の確信度が１である場
合には、入力されたファジーデータに対応した脈波形状
において最大ピーク後に平坦部が２つ存在することを示
している。また、オートマトン２の状態Ｓ５の確信度が
１．０である場合には、入力されたファジーデータに対
応した脈波形状において最大ピーク後に１つの平坦な部
分と１つの平坦または上がる部分とが順に存在すること
を示している。

ステップＳ６においては、上記あいまいオートマトンに
ファジーデータが入力された結果が、予め求められたル
ールに従って評価され、どのような特徴が脈波に存在し
ているかが決定されるとともに、ステップＳ７において
その評価結果が表示器２２上に出力される。上記ルール
は、たとえば、以下の（ａ）および（ｂ）に示すもので
ある。

（ａ）　　オートマトン１の状ＭＳ５の信頼度が１．０
で、オートマトン２と３の状態Ｓ５の信頼度が１．０で
ないならば、脈波のパターンは幼児期のものである。

（ｂ）　　オートマトン１と３の状態Ｓ５の信頼度が１
．０で、オートマトン２の信頼度が１．０で・ないなら
ば、脈波のパターンは青年期のものである。

すなわち、上記ルールに対応した判断式が予めＲＯＭ１
６に記憶されており、この判断式が上記ステップＳ６に
おいて実行されるとともに、ステップＳ７において、実
際の脈波の生理的年齢が表示されるのである。第１図の
表示器２２はこの状態を示している。

因に、第１２図は、上記オートマトン１．２．３および
ルール（ａ）、（ｂ）と、脈波の最高ピーク周辺がどれ
だけ平坦になっているかを判断する図示しないオートマ
トンおよびルールとを用いて行った実験結果を示してい
る。

以上、本発明の一連用例を説明したが、本発明はその他
の態様においても適用される。

たとえば、前述の適用例において、２５ｍ５毎に平均デ
ータを算出することによりデータ圧縮が行われているが
、多少の演算時間および必要記憶容量の大きさを許容で
きれば、必ずしもデータ圧縮を実行するステップＳ２が
設けられなくてもよいのである。

また、前述の適用例の（１）式において、平均データの
差分（ｂｐｔ　　ｂｐｔ−ｔｌが時間間隔Δにより除算
されることにより差分データｂｐｄｔが算出されている
が、既知の周期Δにて平均データｂｐｔが算出されてい
ることから平均データの差分（ｂｐｔｂｐｔ−１）自身
が傾きを表しているので、必ずしも時間間隔Δにより除
算されなくてもよい。

また、前述の適用例では、脈波信号ＳＭが２５ｍ５毎の
小区間毎に平均されていたが、必ずしも２５ｍ５毎でな
くてもよいし、また、脈波の特徴を抽出するために重要
な区間を他の区間よりも細かい区間にて平均してもよい
のである。

また、前述の適用例では、脈波信号ＳＭが一旦ＲＡＭ１
８に記憶された後、−脈波に相当する部分が読み出され
てデータ圧・縮されていたが、Ａ／Ｄ変換器１２を通し
て脈波信号ＳＭを入力させつつ、リアルタイムで平均値
を求め、この平均値をＲＡＭ１８に記憶させてもよいの
である。

また、前述の適用例では、脈波信号ＳＭの一脈波に相当
する部分が解析されていたが、特徴の現れる場所が特定
される場合には、その部分だけ解析するようにしてもよ
い。

また、前述の適用例では、生理的年齢を求めるために複
数のあいまいオートマトンが用いられていたが、波形の
特徴によっては１つのオートマトンが用いられ得る。

また、前述の適用例において、ファジー関数として二等
辺三角形状の関数が用いられていたが、正規分布のよう
な曲線が用いられてもよいのである。

また、前述の適用例では、第１図に示すように、脈波セ
ン゛す１０からの脈波信号ＳＭが波形解析装置に直接入
力されていたが、脈波センサ１０からの脈波信号ＳＭを
データレコーダなどの記憶装置に一旦記録し、脈波セン
サ１０と別の場所に配置された本体にその記憶装置から
脈波信号ＳＭを入力させて波形解析させてもよいのであ
る。

また、前述の適用例では、生体から採取される脈波の解
析について説明されていたが、診断のための心電波形の
解析、音声認識のための音声波形の解析など、他の波形
の解析に用いられてもよいことはいうまでもない。この
場合には、それぞれの基準パターンの特徴を抽出するた
めのオートマトンおよびルールが用意される。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一連用例であり
、本発明はその精神を逸脱しない範囲で種々変更が加え
られ得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明が適用される脈波解析装置の一例を示
すブロック線図である。第２図は、第１図の装置の作動
を示すフローチャートである。第３図は、平均データに
より表された脈波を示す図である。第４図は、脈波信号
により表された脈波を示す図である。第５図は、幼児期
の脈波形状の例を示す図である。第６図は、ファジー値
が「０」におけるファジー関数の例を示す図である。第
７図、第８図、および第９図は、第１図の装置において
用いられるあいまいオートマトンの例をそれぞれ示す図
である。第１０図は、第７図のオートマトン１における
状態ＳＯから５１へ遷移する遷移条件を示すファジー値
のファジー関数を示す図である。第１１図は、第７図の
オートマトンｌにファジー値ｒＱＪが入力されたとき、
状態ＳＯから８１へ遷移するに際して決定される確信度
を示す図である。第１２図は、第１図の装置において実
行された脈波解析の実験結果を示す図表である。出願人　　コーリン電子株式会社第１図第２図 ′ｔＵＥ３Ｉ１１第４ＷＪ第５図第６ｉ！２第１０図第１１図ｗ１７図第８１１１第９１！ｉ

Claims

【特許請求の範囲】被解析波形の一部分若しくは全部を、予め定められた基
準波形パターンの特徴が存在するか否かに基づいて解析
する方法であって、前記被解析波形を、所定の小区間毎に、予め定められた
複数段階の傾斜度に分類することにより、ファジーデー
タを作成するファジー化工程と、前記基準波形パターン
の特徴を検出するために予め定められた複数種類の状態
を備え且つ或る状態から他の状態への遷移条件の範囲が
前記複数段階の傾斜度に基づいて定められているあいま
いオートマトンに、前記ファジーデータを入力させて該
ファジーデータを順次処理する処理工程と、該処理工程
による処理により、前記ファジーデータの入力終了時点
における前記あいまいオートマトンの状態の確信度に基
づいて、前記被解析波形内に前記基準波形パターンの特
徴が存在しているか否かを判定する判定工程と、を含むことを特徴とするあいまいオートマトンを用いた
波形解析方法。