JPH03201824A - 信号波形の動揺の補正方法 - Google Patents

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、例えば心電図の基線補正に使用して好適な信
号波形の動揺の補正方法に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、例えば心電図の基線補正にイｔｔｍして好適
な信号波形の動揺の補正方法に関し、信号波形のピーク
を含む所定幅の領域を直線で置換することにより基線を
求め、その信号波形からその基線を差引くことにより、
信号波形の動揺をより正確に補正できる様にしたもので
ある。

〔従来の技術〕

心筋の活動電位を診断できるような形で記録できれば、
心臓の活動状態を知る上に有効な手段となる。このよう
な目的に沿って、人体の表面上に置かれた電極から得ら
れる電位変化を増幅して得られた電位変化を示す信号波
形が心電図である。

第１５図はそのような心電図を記録するための心電計を
示し、この第１５図において、（１）は被検者であり、
この被検者（１）には右手電極Ｒ１左手電極し、右足電
極ＦＲ５左足電極ＦＬ及び胸部電極Ｃ（通常Ｃ１〜Ｃ６
よりなる）が配されている。（２）は保護回路及び誘導
選択器より成る入力部、（３）は増幅部であり、入力部
（２）で選択された例えば２つの電極間の微弱電位信号
が増幅部（３）で増幅され、この増幅された信号が変調
器（４）、フローティング用のトランス（５）及び復調
器（６）を介して心電図の原信号Ｓ０になる。この原信
号Ｓ。をレコーダ等に供給することもできるが、第１５
図例ではこの原信号Ｓ０はアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ
）変換器（７）を介してメモリ（８）にデジタル信号と
して書き込まれている。このＡ／Ｄ変換器（７）のサン
プリングレートは通常２５０サンプル／ｓｅｃ、ビット
精度は１０μＶ／ｂｉｔ程度、ビット数は１０〜１２ビ
ット程度である。

また、（９）は前処理装置を示す。心電図には電極装着
状態及び被検者の体動等による基線の揺動（後述）、周
波数の高い筋電図の発生、商用交流電源からの交流障害
など多くの誤差要因が混入し易い。従って、心電図の波
形計測を行う前にその前処理装置（９）によってこれら
の誤差要因を除去するようにしている。

基線の動揺について説明するに、心電図の波形は周期的
であり、その基本波形は第１６図に示す如くＰ波、Ｑ波
、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波及びＵ波より構成されている。また
、心電図の被検体表面での電位変位のレベルは略１μＶ
程度であり、０．５〜２００Ｈｚ程度の周波数の波が含
まれている。心電図の基本波形からＰ波、Ｑ波、Ｒ波等
の波を取除いた本来は平坦な波形を「基線」といい、心
電図の診断に際しては、Ｐ波、Ｒ波、Ｓ波及びＴ波等の
その基線からのレベルＰＡ、ＲＡ、ＳＡ及びＴＡ等が測
定される。

しかしながら、実際には第１７図Ａに示す如く心電図の
原波形Ｓ０には電極装着状態等によってうねりや高周波
信号が重畳されており、そのままの状態では正確な診断
を行なうことができない。そこで、その原波形Ｓ０より
第１７図Ｂに示すような基線ＢＳを抽出し、その原波形
Ｓ０よりその基線ＢＳを差引くことにより第１７図Ｃに
示す補正波形Ｓ、を求め、この基線補正された補正波形
Ｓ、により診断を行なう如くなしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

基線補正の方法としては例えば直線近似法等が知られて
いる（例えば特開昭５７−４３２３２号公報参照）。そ
の従来の直線近似法では第１６図のＱ波の始点をゼロレ
ベルとみなし、各心拍ごとのゼロレベルを直線で結ぶこ
とにより基線を抽出する。

しかしながら、Ｑ波の始点を結ぶだけでは比較的周波数
の高い基線の動揺を取除くことができないと共に、Ｑ波
の始点を特定するのは困難である不都合がある。

本発明は斯かる点に鑑み、信号波形の比較的周波数の高
い動揺をも取除いて信号波形の動遥をより正確に補正で
きる補正方法を提案することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による信号波形の動揺の補正方法は、例えば１図
及び第２図に示す如く、信号波形のピーク（１０）　、
　（１６）　、　（２０）を含む所定幅の領域を直線（
１５）　。

（１９）　、　（２３）で置換することにより基線ＢＳ
、を求め、その信号波形からその基線ＢＳ、を差引くよ
うにしたものである。

〔作用〕

斯かる本発明によれば、その信号波形からその基線ＢＳ
、を差引くことにより、その信号波形の内でピーク（１
０）　、　（１６）　、　（２０）を含む所定幅の領域
のレベルが常に一定レベルになる様に補正される。

従って、従来例の如くその信号波形の一周期内の一点の
みを基準として動揺を補正する方法に比べて、より周波
数の高い動揺をも取除くことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例につき第１図〜第１４図を参照
して説明しよう。本例は心電図の波形より基線を抽出し
、その心電図の波形からその基線を差引いて基線補正を
行なう場合に本発明を適用したものである。

第１図は一周期分の心電図の原波形を示し、この原波形
は第１５図例の心電計を用いて原波形Ｓ０をサンプリン
グレート２００〜３００サンプル／ｓｅｃ程度でデジタ
ル化してメモリ（８）に書込んだ後に、前処理装置（９
）で読出した波形である。本例ではこの原波形のＲ波、
Ｔ波及びＰ波のピークを夫々第１ピーク（１０）、第２
ピーク（１６）及び第３ピーク（２０）と呼び、これら
第１ピーク（１０）〜第３ピーク（２０）を含む所定幅
の領域を夫々直線（１５）　、　（１９）及び（２３）
で近似することによって第２図に示す基線ＢＳ、を作成
する。それら第１ピーク（１０）〜第３ピーク（２０）
の特定方法の詳細については後述するが、先ずその前処
理装置（９）における基線ＢＳ、の作成方法及びその基
線ＢＳ、を用いた基線補正の全体の流れについて第３図
のフローチャートのステップ（１００）〜（１０７）を
参照して詳細に説明する。

ステップ（１００）　− 第１ピーク（１０）、第２ピーク（１６）及び第３ピー
ク（２０）の夫々の大まかな位置を前処理装置（９）に
オペレータが入力する。これらの大まかな位置は心電図
を予め所定期間記録することにより読取ることができる
。

一ステップ（１０１） 後述の如く第１ピーク（１０）の正確な位置を求める。

本例ではこの際にその第１ピーク（１０）の前後のＱ波
及びＳ波のピーク（１１）及び（１２）の位置をも求め
る。

ステップ（１０２） 後述の如く第２ピーク（１６）の第（ピーク（ＬＯ）に
対する正確な相対的位置を求める。

−ステップ（１０３） 後述の如く第３ピーク（２０）の第１ピーク（１０）に
対する正確な相対的位置を求める。

−ステップ（１０４）　− 先ず第１ピーク（１０）のレベルとその前後のピーク（
１１）及び（１２）のレベルとの中間のレベルの位置よ
り第１図に示す如く夫々半値幅ＢＷ、及びＢＷ２を求め
、その第１のピーク（１ｏ）の時点から前後に夫々３Ｂ
Ｗ、及び３ＢＷ、離れた時点（１３）及び（１４）を特
定する。そして、原波形のこれらの時点（工３）及び（
１４）の夫々の前後１０サンプルの値を平均してこれら
の時点（１３）及び（１４）の値とみなし、これらの時
点（１３）の値と時点（１４）の値とを直線（１５）で
結合し、この第１ピーク（１０）を含む幅（３ＢＷ、＋
３８Ｗ２）の領域を直線補間する。

次に、第２ピーク（１６）のレベルと第１ピーク（１０
）の後の凹のピーク（１２）のレベルとの中間のレベル
の位置より夫々その第２のピーク（１６）の半値幅ＢＷ
３及びＢＷ、を求め、その第２のピ一り（１６）の時点
から前後に夫々２ＢＷ３及び２ＢＷ４離れた時点（１７
）及び（１８）を特定する。

そして、原波形のこれらの時点（１７）及び（１８）の
夫々の前後のＩＯサンプルの値を平均してこれらの時点
（１７）及び（１８）の値とみなし、これらの時点（１
７）の値と時点（１８）の値とを直線（１９）で結合す
ることにより、この第２ピーク（１６）を含む幅（２Ｂ
Ｗ、＋２８Ｗｚ）の領域を直線補間する。

マタ、第３ピーク（２０）のレベルと第１ピーク（１０
）の前の凹のピーク（１１）との中間レベルの位置より
夫々その第３ピーク（２０）の半値幅ＢＷ５及びＢＷｈ
を求め、その第３ピーク（２０）の時点から前後に夫々
ＢＷ、及びＢＷ６離れた時点（２１）及び（２２）を特
定し、これらの時点（２１）及び（２２）の夫々の前後
の１０サンプルの値を平均してこれらの時点（２１）及
び（２２）の値とみなし、これらの時点（２１）の値と
時点（２２）の値とを直線（２３）で結合することによ
り、この第３ピーク（２０）を含む幅（Ｂ　Ｗ　ｓ　ｆ
　Ｂ　Ｗ　＆）の領域を直線補間する。

そして、原波形の内でそれら第１のピーク（１０）、第
２のピーク（１６）及び第３のピーク（２０）を含む領
域を夫々直線（１５）　、　（１９）及び（２３）で置
換えることにより基線ＢＳ＋（第２図）が作成される。

また、本例では第１ピーク（１０）、第２ピーク（１６
）及び第３ピーク（２０）を中心に夫々半値幅の３倍、
２倦及び１倍の領域を直線近似しているが、それらピー
ク（１０）　、　（１６）及び（２０）を中心にどの程
度の幅の領域を直線近似するのかはオペレータが心電図
観測の経験により予め設定したものである。従って、本
例の基線の抽出方法は予め原波形におけるピークの大ま
かな位置及びそのピークを中心に直線近似する大まかな
幅が指定されている場合に特に有効である。

ステップ（１０５）　− 第１図の原波形にバンド幅の広いローパスフィルタのフ
ィルタリングを施す。このフィルタリングは比較的高周
波の筋電ノイズや交流障害等を除去するために施される
。本例のフィルタリングは全てデジタルフィルタ回路又
はコンビュータのソフトウェアで実行されるものであり
、具体的には原波形のサンプル点を、第４図Ａに示す如
く、Ｐ　Ｉ＋　Ｐ　２１　Ｐ　：ｌｌ・・・・としてこ
れらサンプル点Ｐ　ｌ　＋　Ｐ　Ｚ＋　Ｐ　：Ｉ＋・・
・・における値を夫々Ｆ　ｌｌＦ　２＋　Ｆ　：ｌｌ・
・・・とすると、その原波形に比較的簡単なローパスフ
ィルタ回路である（１／４．２／４゜１７４）フィルタ
を施して得られる波形は第４図Ｂに示す如くなる。こ、
の場合、本質的ではないが更にサンプル点を１７２に間
引いている。第４図Ｂのサンプル点を第４図Ａの偶数番
目のサンプル点Ｐ　２＋　Ｐ　４＋　Ｐ　６＋・・・・
として、これらサンプル点Ｐ　２＋　Ｐ　４＋　Ｐ　６
＋・・・・における値を夫々Ｌ２＋　Ｌ　４＋１７６、
・・・・とすると、（１／４．２／４．１／４）フィル
タを使用した場合には値Ｌ２は次のように表わすことが
でき、 Ｌｚ＝　（Ｆ　Ｉ＋　２　Ｆ　ｚ　＋　Ｆ　３）／４　
　　　・・・・（ＩＡ）一般に値Ｌｉ（ｉは整数）は次
のように表わすことができる。

Ｌ、−（Ｆ、−＋＋２Ｆ、＋Ｆｔ−＋）／４　　・・・
・（１）このローパスフィルタ回路の周波数特性は第１
２図Ａに示す如くなす。

また、原波形に比較的簡単なバイパスフィルタ回路であ
る（−１，２，−１）フィルタを施して得られる波形は
第４図Ｃに示す如くなる。この第４図Ｃのサンプル点を
Ｐ　２１　Ｐ　３１　Ｐ　４＋・・・・として、これら
サンプル点Ｐ　Ｚ＋　Ｐ　：ｌｌ　Ｐ　４＋・・・・に
おける値を夫々Ｈ２１Ｈ３１Ｈａ　＋・・・・とすると
、値Ｈ２は次のようになり、 Ｈｚ−Ｆｌ＋２　Ｆ２　　Ｆ３　　　　　・・・・（２
Ａ）一般に値Ｈ，は次のように表わされる。

Ｈ１＝−Ｆｌ、−１＋２Ｆ五十Ｆ　ｉ　＋　１　　　　
・・・・（２）このバイパスフィルタ回路の周波数特性
番よ第１２図Ｂに示す如くなる。また、比較的簡単なノ
くンドパスフィルタ回路である（−１，−１，−１，２
゜２、２．−１．−１．−１）フィルタの周波数特性を
第１２図Ｃに示す。このバンドパスフィルり回路ｃこよ
って得られるｉ番目のサンプル点の値をＢＰ。

とすると、 ＢＰ、＝−Ｆ、−４−Ｆ、−Ｆｉ−２＋２．Ｆ、−１＋
２Ｆ、＋　２　Ｆ　ｉ＋Ｉ　　Ｆ　ｉ。ｇ　　Ｆ　ｉ＋
：ｌ　　Ｆ　ｔ。４・・・・（３） と表わすことができる。

また、このステップ（１０５）にて第１図の原波形に施
すバンド幅の広いローパスのフィルタリングの特性は（
−１／１６．４／１６．１０／１６．４／１６゜１／１
６）フィルタによるものである。即ち、このフィルタリ
ングを施して得られるｉ番目のサンプル点の値をＬＬ、
とすると、 ＬＬｉ＝（Ｆｔ−ｚ＋４Ｆ、−＋＋１０Ｆ＋＋４Ｆ＝−
＋Ｆｉ、２）／１６　　　　　　　　　　・・・・（４
）が成立している。

ステップ（１０６） 第２図の基線ＢＳ、にバンド幅の狭いローパスフィルタ
リングを施す。このフィルタリングは直線近似の際の直
線部分と原波形の部分との接続点を滑らかにするために
施すものであり、基線ＢＳ、の各サンプル点の前後１７
個のサンプル点の値を平均するものである。

一ステップ（１０７）　− ステップ（１０５）でローパスのフィルタリングを施し
て得られた原波形からステップ（１０６）でローパスの
フィルタリングを施して得られた基線ＢＳ、を差引いて
補正後の波形を求める。

次に本例において原波形より第１のピーク（１０）（第
１図参照）の位置を正確に検出する方法について説明す
る。この場合は第５図Ａに示す如く原波形の区間（ＩＯ
Ａ）にピーク（１０）が存在することが予めオペレータ
により知らされている。そして、この第５図への原波形
をバイパスフィルタ回路である（−１，２，−１）フィ
ルタに通して第５図Ｂの波形を得る。この（−１，２，
−１）フィルタによるｉ番目のサンプル点の値Ｈｉは式
（２）で表されるが、式（２）は更に差分Δ、−１，Δ
、を用いて次のように変形できる。

Ｈ，＝−Ｆｉ、−Ｉ＋２Ｆｉ−Ｆｉ、１−（Ｆｌ。＋　
　Ｆ：）＋（Ｆｉ　　Ｆｔ−＋）＝−（Δ、。、−Δｉ
）　　　　　　　・・・・（２Ｂ）即ち、Ｈｉは差分Δ
え。１と差分Δ、との更に差分であると共に、１回の差
分演算は微分に相当するため、Ｈ，は実質的にＦ、の２
次微分に等しくなり、原波形に（−１，２，−１）フィ
ルタによるフィルタリングを施すことは原波形の２次微
分を求めることと等しくなる。そして、原波形の凸のピ
ーク又は凹のピークでは夫々２次微分の値が正の極大又
は負の極小となると共に、原波形が緩やかに変化する部
分では２次微分の値は０に近いため、その２次微分の演
算によってピークの部分が強調され、特に、本例の第１
のピーク（１０）は鮮明になる。但し、第２のピーク（
１６）及び第３のピーク（２０）は第５図Ｂからは読取
れないため、後述の如く予めローパスフィルタリング及
びデータの間引きを施す如くなす。

第５図Ｂの■部の値が比較的大きな正のピークを有する
部分を取出して、このピークを有する部分の値をべき乗
した結果を第６図に示す。例えば第５図Ｂの■部の各サ
ンプル点Ｐ、の値をｙ８とすると、第６図の各サンプル
点Ｐ、の値はｙｉａとなる。αの好適な範囲は２≦α≦
５であるが、本例ではα＝３に設定し、その第６図の左
端の時点を基準としてその波形の重心までの時間Ｔ１を
求める。従って、その左端の時点から第６図の各サンプ
ル点Ｐ１までの時間をＰＴ、とすると、その波形の重心
までの時間Ｔ１は次式で表わされる。

本例ではこの重心の位置をそのまま第１ピーク（１０）
の位置であると判定する。一般に第８図に示す如く、原
波形（２４）をべき乗して波形（２５）を得た場合には
、原波形（２４）の内で値の小さい部分はより小さくな
ると共に他の大きな部分はより大きくなるため、本例の
如く２次微分した結果を更にべき乗するときには、より
正確なピークを抽出できる利益がある。

また、第５図Ｂの■部において第１ピーク（１ｏ）の前
後の値が比較的大きな負のピークを有する部分（ＩＩＡ
）及び（１２Ｂ）を取出して、これらの部分を夫々第７
図Ａ及びＢに示す如くべき乗する。そして、第７図Ａ及
びＢの夫々について左端の時点から重心までの時間Ｔ２
及びＴ３を求め、これら重心の位置に夫々第１図のピー
ク（１１）及び（１２）が存在するとみなす。

尚、第１のピーク（１０）の位置を特定するに第５図例
の如く直接原波形を（−Ｌ２．−１）フィルタで処理す
るのではなく、第９図Ｂに示す如く１、原波形（第９図
Ａ）に予めローパスフィルタ回路である（１／４．２／
４．１／４）フィルタによる処理及びサンプル点を１／
２に間引く処理（第４図Ｂ参照）を施して、この結果に
第９図Ｃに示す如＜　　（−１，２゜１）フィルタによ
る２次微分を施してもよい。第９図例の如く原波形に予
めローパスフィルタリング及びサンプル点の間引きを施
すのは、周期の短い小さい振幅の振動成分を除去して比
較的大きなピークを含む部分だけを抽出するためである
。この第９図Ｃより特に第１ピークに相当するピーク（
ＩＯＢ）の前後のピーク（ＩＩＢ）及び（１２Ｂ）が鮮
明に抽出されていることが分かる。

また、原波形より第２のピーク（１６）　（第１図参照
）の位置を正確に検出する方法について第１０図を参照
して説明するに、この場合も第１０図Ａに示す如く原波
形の区間（１６＾）にピーク（１６）が存在することが
予めオペレータにより知らされている。

このとき、原波形には第１０図Ｂ、Ｃ及びＤに示す如く
、（１／４．２／４．１／４）フィルタによるローパス
フィルタリング及びサンプル点の１／２の間引きによる
処理を３回施す。この結果第１０図りに示す如く第２ピ
ーク（１６）の近傍からは振動成分が除去されるので、
この第１０図りの波形に、第１０図計に示す如＜　（−
１，２，−１）フィルタによって２次微分を施す。これ
により、第１０図のＸ部には第２のピーク（１６）が明
確に現われる。そして、このＸ部の正のパルスを有する
部分を第６図例と同様にべき乗して重心の位置を求める
ことにより、その第２のピーク（１６）の正確な位置が
検出される。尚、最終的にこの第２のピーク（１Ｇ）及
び後述の第３のピーク（２０）の位置は第１のピーク（
１０）の位置を基準とした相対的な位置に変換される。

最後に、原波形より第３のピーク（２０）を検出する方
法について説明するに、第３のピーク（２０）はピーク
部分が鋭くないため単純なハイバフフィルタリングを施
すのではピークを正確に抽出できない。この場合、第１
０図Ｃの波形を見ると第３ピークの近傍が台形波形にな
っている。そこで本発明者はその第３ピークをバンドパ
スフィルタ回路によるフィルタリングによって抽出する
ことに想到した。

具体的には、第１Ｏ図Ｃの波形にバンドパスフィルタ回
路である（−Ｌ−Ｌ−１，２，２，２，−１゜−１，−
１）フィルタによる処理（特性は式（３）で表わされる
）を施して第１１図の波形を得た。これによれば第３ピ
ーク（２０）が比較的鋭いピークとして表わされている
。そして、この第１１図のＸＩ部の正のパルスを有する
部分をべき乗して重心の位置を求めることにより、正確
に第３ピーク（２０）の位置を決めることができる。

最後に本例の基線補正による処理結果の一例を第１３図
に示し、この例は第１３図Ａの原波形より第１３図Ｂの
基線を抽出し、その原波形（厳密には更にローパスフィ
ルタリングを施された波形）よりその基線を差引くこと
により補正後の波形（第１３図Ｃ）を求めたものである
。

また、第１４図は第１３図例を含む広い範囲における基
線補正の結果を示し、第１４図Ａ、Ｂ及びＣは夫々原波
形、基線及び補正後の波形を示す。第１３図Ｃ及び第１
４図Ｃによれば基線の動揺がほぼ完全に除去されており
、心電図の判断をより正確に行なうことができる利益が
ある。

尚、本発明は上述実施例に限定されず、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができるのは勿
論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、信号波形の動揺をより正確に補正でき
る利益がある。

本発明によれば信号波形の各ピークを含む領域のレベル
が安定するので、特に心電図の波形の如く波形の中のピ
ークレベルが重要な意味を有する場合にその心電図の波
形の基線の動揺の補正に使用すると、その心電図の波形
をより正確に診断できる利益がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の一周期分の心電図の原波形
を示す線図、第２図は第１図例の原波形から抽出した基
線ＢＳ、を示す線図、第３図は一実施例の基線補正の手
順を示すフローチャート図、第４図はデジタルフィルタ
リングの説明に供する線図、第５図〜第７図は夫々原波
形より第１ピークを抽出する方法の一例の説明に供する
線図、第８図は第６図例の重心の決定方法の説明に供す
る線図、第９図はその第１ピークの抽出方法の他の例の
説明に供する線図、第１０図は原波形より第２ピークを
抽出するための一例の説明に供する線図、第１１図は原
波形より第３ピークを抽出する方法の一例の説明に供す
る線図、第１２図は各種フィルタ回路のフィルタ特性を
示す線図、第１３図及び第１４図は一実施例の基線補正
の結果の各信号を示す信号波形図、第１５図は心電計の
構成を示すブロック図、第１６図は心電図の基本波形を
示す信号波形図、第１７図は従来の基線補正の手順の説
明に供する線図である。 （１０）　、　（１６）　、　（２３）は夫々原波形の
ピーク、（１５）。 （１９）　、　（２３）は夫々直線、ＢＳ、は基線であ
る。 碧１図例の基４泉 第２図 −実施分りの基珪ネ甫正の手・２層 第３図 第１５図 １に？（２）の基本波相 第１６図 基線補正の手′ｌ己 第１７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 信号波形のピークを含む所定幅の領域を直線で置換する
   ことにより基線を求め、上記信号波形から上記基線を差
   引くようにしたことを特徴とする信号波形の動揺の補正
   方法。