JPH0261250B2 - - Google Patents

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JPH0261250B2
JPH0261250B2 JP59133705A JP13370584A JPH0261250B2 JP H0261250 B2 JPH0261250 B2 JP H0261250B2 JP 59133705 A JP59133705 A JP 59133705A JP 13370584 A JP13370584 A JP 13370584A JP H0261250 B2 JPH0261250 B2 JP H0261250B2
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JP
Japan
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peak
signal
time
pattern
order differential
Prior art date
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Application number
JP59133705A
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JPS6111017A (ja
Inventor
Katsuro Okamoto
Takashi Akai
Masashi Ito
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は心電図等の生体信号の認識、計測を行
う場合の生体信号処理方式に関する。
〔従来の技術〕
一般に生体の信号は、ある形状を持つ複数種の
波の組合せ、あるいはそれらの周期的な繰り返し
で構成されているが、その生体信号の性質を把握
するにはそれらの棘波の基線(ゼロレベル)から
の立ち上り時刻、基線へ戻る時刻、ピーク生起時
刻、あるいは変曲点を示す時刻等を計測し、波の
幅(時間間隔)や高さ(電圧値)を求めて、棘波
の形状を類推する方法が一般に行われている。し
かし生体信号は、その電圧レベルが小さくハムな
どの高周波雑音が重畳し易いためその信号の計測
を正確に行うことは難かしいとされていた。例え
ば心電図を例にとると心電図信号は第2図に示す
ようにP.QRS.T.U波と称される各棘波から構成
されているが、この心電図信号を自動解析するあ
たつて従来は、その周波数成分が高く、かつ振幅
値が大きい為、検出が容易であるQRS波を中心
として行われており、P波あるいはT波の認識に
関しては、雑音や基線動揺による影響のため正確
な波形認識、計測は困難であつた。
特に、不整脈などの解析の際にはP波の存在の
有無、形状などの正確な認識が必要となるがP波
は周波数成分も低く、また振幅値も小さいため筋
電図やハムなどの混入で信号成分が雑音に埋もれ
てしまいその弁別が難かしいとされていた。また
T波については、心筋異常等を診断する場合に、
S−T成分の傾向やT波の形状(陰性波や2相性
の区別)を認識することが必要であるが、S−T
成分には雑音が重畳し易く、また陰性(2相性)
T波の認識には基線動揺の鉱響を受け易いため、
計測誤差が大きくなるという欠点があつた。
尚、従来このP波(T波)を検出するには以下
の方式がとられている。(1)心電図アナログ信号を
アナログデイジタル変換し、そのデイジタル信号
に対し、帯域通過型のデイジタルフイルタリング
処理を行うことによりP波やT波の生起時刻、終
端時刻、ピーク生起時刻を決定する方式、(2)心電
図アナログ信号をアナログデイジタル変換し、そ
のデイジタル原信号に対し、差分処理を加えて一
次微係数を求め傾きの変化が最大となる時刻をP
波やT波の生起時刻とする方式である。方式(1)に
於て使用されるデイジタルフイルタをソフトウエ
アで実現すると係数として精度が要求される小数
点データを必要とし、さらに高精度の乗除算処理
を繰り返し実行するため、処理時間がかかり、必
要なメモリも大容量のものを必要とする欠点があ
つた。また、P波、T波を弁別するためには異な
つた周波数特性を持つデイジタルフイルタを必要
とした。方(2)は原心電図信号に重畳した筋電図、
ハムなど高周波雑音による影響を受け易く誤つた
認識を行う可能性が大きかつた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明の目的は、従来の生体信号処理方式と比
較して高周波雑音や基線動揺の影響を受けずに波
形の生起時刻、終端時刻、ピーク生起時刻を正確
にしかも同一構成で求めることができ、さらに波
形の形状を2次微分出力信号のパターンからだけ
で認識できる生体信号処理方式を提供することで
ある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明によれば、処理対象信号に2次微分フイ
ルタリング処理を加える操作と、2次微分出力さ
れた時系列信号群よりピークを検出する操作と、
検出されたピーク信号系列の生起パターンにより
原信号のパターンを類推し、分類する操作と、2
次微分ピーク信号系列より原信号の生起時刻、終
端時刻およびピーク生起時刻を求めさらに原信号
のピーク電圧値を計測する操作とにより構成され
る生体信号処理方式が得られる。
〔発明の原理〕
生体信号等の処理対象信号の波形の一周期の基
本形を第3図aと考えると、bはa及びaと極性
の反転する波形の連続したものであり、cはaの
波形が2つ連続した波形と考えることができる。
さらに一般の連続波形はこれらの波形が組み合
せられて連続的な周期を持つて現われると考えて
よい。そこでこの処理対象信号に2次微分操作を
加える。本発明にて利用する2次微分フイルタの
式を式(1)に示す。
F(xk)=1/100T2{−2・(xk+x-k)−2・ (xk+1+xk-1) +0・(xk+2+xk-2)+0・(xk+3+xk-2) +1・(xk+4+xk-4)+2・(xk+5+xk-5) +1・(xk+6+xk-6)} ………(1) ここで{xk}は第4図に示すサンプリングされ
た各時系列データである。又1/100T2はスケール フアクタを示す。式(1)に示した通り本フイルタは
係数が簡単な整数(0,1ないしは2)を示すた
め、加減算およびビツトシフト演算のみで処理が
可能であり、高速かつ、良好な低減2次微分特性
を実現する特長を有している。
第3図a,b,cの形状を持つ信号に上記フイ
ルタリング操作を加えた出力結果を各々a′,b′,
c′に示す。
得られた2次微分フイルタリング出力信号のピ
ーク生起時刻は各々原信号における生起時刻、終
端時刻および生起時刻ないしはその近傍の時刻を
示しており、しかも上記の良好な低減特性より原
信号に高周波雑音等が重畳した場合でも、その影
響を受けずに顕著なピークを示すため雑音から信
号成分を弁別することが容易である。また、原信
号に基線動揺がある場合も、2次微分出力信号の
ピーク生起時刻に影響を及ぼすことはないので原
原波形の計測が正確に行われる。さらに原信号の
うち第3図a,b,cの成分に対する2次微分出
力信号成分のピークが他の成分より顕著であるこ
とよりa′,b′,c′に示したピーク列の生起パター
ンを認識することにより原波形a,b,cの形状
を類推することが可能である。ここで心電図を例
にとると心電図を構成する棘波成分のうちP波、
T波は一般的に第3図a,b,cのパターンのい
ずれかを示しaを単峰性パターンbを2相性パタ
ーンcを双峰性パターンと称する。各a,b,c
の信号においてP(T)波の2次微分出力パター
ンの一般形をc′とするとa′,b′は各々c′のP1ない
しLはP5あるいはP1およびP5が存在しない場合
の特殊波形と考えられるのでP波(T波)の2次
微分フイルタリング出力信号をそのピーク数、ピ
ーク電圧値ピーク時間間隔等からa′,b′,c′のパ
ターンに分類することにより心電図信号解析に必
要な区分と称する各P(T)波の生起時刻終端時
刻、ピーク生起時刻を計測可能であり、さらにそ
の分類されたパターンからP(T)波の形状が単
峰性、2相性、双峰性かを判断することが可能と
なる。
そのためまず心電図原信号に関する2次微分出
力信号よりQRS棘波に関する成分を除去ないし
はQRSの生起時刻を明確にしてP(T)波検出の
際にQRS棘波の影響を及ぼさないようにする。
これはQRS棘波群がその2次フイルタ出力にお
いて他の出力よりも顕著な電圧値を示すためであ
る。次に、2次微分出力信号に重畳している雑音
を計測し、その平均電圧レベルを求める。原信号
に混入した図やハムの電圧レベルが高い場合、2
次微分出力信号中においても雑音レベルが大きく
なるため、これがP(T)波信号成分の検出精度
に影響を及ぼさないようにピーク検出の為の閾値
を動的に設定できる電圧レベルによつて決めてい
る。この電圧レベルに相当する雑音閾値によつて
雑音レベル以上にあるピーク系列を選択しその中
からさらに電圧レベルの絶対値が最大を示す時刻
のピークを中心として前後に存在するピークを複
数個、選択する。この選択基準としてはまず、最
大電圧レベルを示す時刻の近傍一定時間間隔内に
あるピークを選び、ピークとピークの時間間隔が
定められた時間間隔の範囲に存在しないものは雑
音ないしはノツチとみなしふるい落す。こうして
残つたピーク系列のパターンが第3図a,b,c
に示した2次微分出力パターンに合致するかを判
別する。もし、ピーク系列パターンがどれかに合
致する場合は2次微分出力信号ピーク生起時刻が
各々原信号の生起時刻、終端時刻、ピーク生起時
刻ないしはこの近傍を示している。原信号の性質
によつて、例えばT波の終端のようにその変化が
急峻でない場合、ピーク生起時刻が実際の区分点
よりずれを生じるのを補正する。01ピーク系列
パターンにおいてピークが過不足を示し第3図
a′,b′,c′のいずれにも合致しない場合、これを
補正してパターンの分類を行う。例えば第5図に
示すような2次微分出力信号上で原波形のピーク
と生起時刻を示すパターンが得られた場合、b′に
相当するピークを再検出する為に雑音の閾値を下
げてb′を求める。もし、モデルパターンよりもピ
ーク数が多い場合には時間間隔、レベル等で、ピ
ークの再検出を行い、ピーク数を減少させる。
〔実施例〕
次に本発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。第1図は本発明の一実施例を示す図で、1は
2次微分デイジタルフイルタであり、心電図等生
体信号にフイルタリング操作を加える。2は雑音
検出装置であり、デイジタルフイルタによつて出
力された信号より雑音等解析に不要な2次微分出
力成分の信号の平均電圧値を検出するものであ
る。3はQRS波検出装置であり2次微分出力信
号よりQRS波に相当する成分を検出する。4は
減算装置であり、2つの入力信号の差分を行う。
5は雑音閾値レベル発生装置であり、ピーク検出
の為の閾値を決定する。6はピーク検出装置であ
り、設定された閾値以上にあるピークを検出す
る。7は電圧レベル比較装置であり、ピーク検出
装置6で検出されたピーク電圧のレベルを比較す
る。8は最大レベル検出装置であり入力されたピ
ークより最大ピークを選択する。9はピークパタ
ーン生成装置であり、ピーク検出装置6で検出さ
れたピーク列に基づきパターンを生成する。10
はパターン比較装置であり、ピークパターン生成
装置9で得られたパターンをあらかじめ設定され
たモデルパターンと比較する。11はピーク補正
装置であり、ピーク生起時刻の補正を行いピーク
時刻とピーク電圧値を出力する。12は閾値補正
装置でありパターン比較装置10でパターン比較
された結果に基きもし、パターンがモデルパター
ンと異なる場合に閾値レベルを変化させる。13
は原波形の生起時刻、終端時刻の補装置であり、
正確な区分点の時刻を出力する。14は信号遅延
装置であり、入力信号を一定時間、遅延する。
次に本実施例の動作を説明する。まず心電図信
号第6図aは2次微分デイジタルフイルタ1でフ
イルタリング操作が行われる。このフイルタリン
グ操作においては第6図bに示すような出力信号
が得られるので雑音検出装置2においてbのt1
間に存在する雑音を検出し雑音閾値レベル発生装
置5においてピーク検出装置6内に必要な雑音除
去のための閾値電圧を設定する。QRS波検出装
置3、減算装置4ではP(T)波検出の際、不要
なQRS棘波の2次微分出力成分第6図区間t2を除
去する。ピーク検出装置6においては、減算装置
4からの信号より、設定された雑音閾値th1以上
にあるピークを検出する。これを第7図に示す。
さらに電圧レベル比較装置7、最大レベル検出装
置8でピーク系列のうちの最大電圧レベルにある
ものを選択する。(第7図P)パターン比較装置
10はピークパターン生成装置9において得られ
た第8図に示すようなピークの生成パターンが第
3図に示したパターンのいずれかと一致するか否
かを比較する。もし、パターンが一致する場合は
ピーク補正装置11、時刻の補正装置13へトリ
ガを発生する。ピーク補正装置11では最大レベ
ル検出装置8で得られた2次微分出力最大ピーク
レベルの時刻に基づき原波形の性質により必要あ
ればその時刻の補正を行い、原波形を参照し原波
形のピーク生起時刻及びその電圧値を出力する。
一方、時刻の補正装置13ではピーク検出装置
6、ピークパターン生成装置9からのピークパタ
ーンより、原波形の生起時刻、終端時刻を検出し
原波形の性質により、時刻の補正を行い、出力す
る。もし、パターン比較装置においてモデルパタ
ーンと一致しない場合には、閾値補正装置12に
トリガをかけピーク検出用の雑音閾値を変化させ
雑音閾値レベル発生装置5に戻る。
〔発明の効果〕
以上の様な方式を採用することにより従来の方
式と比較して次のような効果がある。(1)本方式で
採用した2次微分デイジタルフイルタは加減算器
および遅延回路だけの簡単な回路構成で実現でき
るため従来のデイジタルフイルタを利用したP
(T)波検出方式に比較して高速な波形検出が可
能である。(2)本方式で採用した2次微分デイジタ
ルフイルタは良好な低域通過特性を持つため、ハ
ム、筋電信号等の高周波雑音を含んだ信号に対し
ても高い検出精度を示す。(3)2次微分フイルタリ
ング出力信号のみから、原信号の生起時刻、ピー
ク生起時刻、終端時刻およびその近傍が検知でき
るので原信号の保持、原信号の雑音処理等のため
の手段が不要になり、構成が簡単になる。(4)外部
から与えるパラメータの設定を変えるのみで同一
の構成でP波、T波の検出が可能であるため、信
号処理装置全体の構成が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す図、第2図は
生体信号の例としての心電図信号を示す図、第3
図は生体信号の処理の原理を示す図、第4図は時
系列で示された信号データを示す図、第5図は補
正された信号波形を示す図、第6図は心電図信号
と2次微分フイルタリング処理された信号を示す
図、第7図はピーク検出の様子を示す図、第8図
は生成ピークパターンを示す図。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 入力生体信号を受け2次微分フイルタリング
    処理するフイルタ手段と、前記フイルタ手段の出
    力を受けピークを検出するピーク検出手段と、前
    記ピーク検出手段からのピーク検出結果の時系列
    的変化により入力生体信号を所定の分類に類推す
    る分類手段と、前記分類手段の出力を受け2次微
    分フイルタリング処理された信号を基に前記入力
    生体信号におけるピーク生起時刻及びピーク電圧
    値を計測する計測手段とを具備することを特徴と
    する生体信号処理方式。
JP59133705A 1984-06-28 1984-06-28 生体信号処理方式 Granted JPS6111017A (ja)

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JPS6111017A JPS6111017A (ja) 1986-01-18
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