JPH03202048A - 信号波形のピークのサーチ方法 - 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の基準となるピーク
の位置を検出するのに使用して好適な信号波形のピーク
のサーチ方法に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、例えば心電図の基線補正の基準となるピーク
の位置を検出するのに使用して好適な信号波形のピーク
のサーチ方法に関し、信号波形の２次微分を求め、この
２次微分結果をべき乗し、このべき乗した結果の重心の
位置をその信号波形のピークの位置と判定することによ
り、ピーク位置をより正確に検出できる用にしたもので
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ＦＲ１左足電極ＦＬ及び胸部電極Ｃ（通常Ｃ，−Ｃ６
よりなる）が配されている。（２）は保護回路及び誘導
選択器より戒る入力部、（３）は増幅部であり、人力部
（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Ｓｏになる。この原信
号Ｓ０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、ピント数は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、０．５〜２００七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
Ｓ。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ＳＩを求め、この基線補正された補正波形
Ｓ１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。この場
合、比較的周波数の高い基線の動揺を取除くにはＰ波、
Ｒ波及びＴ波等の大きなピークを有する波の全てを基準
として基線を抽出する方法が考えられる。しかしながら
、従来はこれら大きなピークを有する波のピークの位置
を特定するための適当な方法がなかった。但し、Ｒ波の
ようにピークが鋭い場合にはそのピークは比較的容易に
特定することができるが、特にＰ波、Ｔ波のようになだ
らかな山型の波形の場合にはそのピークの特定は困難で
ある。

本発明は斯かる点に鑑み、信号波形に含まれるピークの
位置をより正確に検出できる信号波形のピークのサーチ
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ピークのサーチ方法は例えば第
５図に示す如く、信号波形（第５図Ａ）の２次微分（第
５図Ｂ）を求め、この２次微分結果をべき乗しく第６図
）、このべき乗した結果の重心の位置をその信号波形の
ピーク（１０）の位置と判定するようにしたものである
。

〔作用〕

斯かる本発明によれば、その信号波形のピークの位置で
は一般に２次微分の値が極大又は極小となると共に、そ
の信号波形がなだらかに変化する部分の２次微分の値は
０に近くなるため、その信号波形を２次微分することに
よりその信号波形のピークが含まれている範囲を狭く指
定できる。

更に、その２次微分の結果をべき乗すると、小さな値は
より小さくなり大きな値はより大きくなるためその信号
波形のピークをより強調することができる。従って、こ
のべき乗した結果の重心の位置より正確にその信号波形
のピーク（１０）の位置を求めることができる。

〔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Ｓ。

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。それら第エビーク（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
。

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。

一ステップ（１０２）　− 後述の如く第２ピーク（１６）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（１０３）　− 後述の如く第３ピーク（２０）の第１ピーク（１ｏ）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（１０）の時点から前後に夫々３Ｂ
Ｗ、及び３ＢＷ２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（１３）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（３ＢＷＩ＋
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
）ノ後の凹のピーク（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
：ｌ及びＢＷａを求め、その第２のピーク（１６）の時
点から前後に夫々２ＢＷ、及び２ＢＷ４離れた時点（１
７）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１０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＋　＋　２８　Ｗｚ）の領域を直線補間する。

また、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ＢＷ。

及びＢＷ、を求め、その第３ピーク（２ｏ）の時点から
前後に夫々ＢＷｓ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（２
１）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（２ｏ）を含む幅（Ｂ　
Ｗ　ｓ　＋　Ｂ　Ｗ　ｂ　）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（工０）、第
２のピーク（１６）及び第３のピーク（２ｏ）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Ｂ　Ｓ、（第２図）が作成される
。

また、本例では第１ピーク（１ｏ）、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櫨及び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図の原波形にハ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
はコンピ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に示ず如
く、Ｐ　Ｉ　＋　Ｐ　２＋　Ｐ　３＋・・・・としてこ
れらサンプル点Ｐ８．Ｐ２．Ｐ３．・・・・における値
を夫々Ｆ。

Ｆ　Ｚ＋　Ｆ　３＋・・・・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゜１／４）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１／２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　４１
　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＋Ｌ　６＋・・・・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、 Ｌ２＝　（Ｆ　＋　＋　２　Ｆ　ｚ　＋　Ｆ　３）／４
　　　　・・・・（ＩＡ）一般に値Ｌ＝（ｉは整数）は
次のように表わすことができる。

Ｌ；−（Ｆ　＝−＋　＋　２　Ｆ＝＋　Ｆ　＝−＋）／
４　　・・・・（１）このローパスフィルタ回路の周波
数特性は第１２図Ａに示す如くなる。

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（−Ｌ　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Ｐ２．Ｐ、、Ｐ４．・・・・として、これらサンプル
点Ｐ　２＋　Ｐ　３１　Ｐ　４１・・・・における値を
夫々Ｈ，ｌＨ３，Ｈ４，・・・・とすると、値Ｈ２は次
のようになり、 Ｈｚ−Ｆｌ＋２Ｆ２　　Ｆ：ｌ　　　　　・・・・（２
Ａ）一般に値Ｈ，は次のように表わされる。

Ｈｉ−−Ｆｔ−、＋２Ｆ□＋Ｆｉ。１　　　・・・・（
２）このバイパスフィルタ回路の周波数特性は第１２図
Ｂに示す如くなる。また、比較的簡単なバンドパスフィ
ルタ回路でアル（−１，−Ｌ　−１，２゜２、２．−Ｌ
−Ｌ−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タ回路によって得られるｉ番目の
サンプル点の値をＢＰ。

とすると、 ＢＰｉ＝−Ｆｉ−、−Ｆｉ−、−Ｆ□−２＋２Ｆ、−、
＋２Ｆ、＋２　ＦＨ，＋　　Ｆ；−ｚ　　Ｆ；−：＋　
　Ｆｔ。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、 ＬＬ、−（−Ｆｉ−２＋４Ｆｉ−１＋１０Ｆ、＋４Ｆｉ
−ＩＦ　１−ｚ）／１６　　　　　　　　　　・・・・
（４）が成立している。

一ステップ（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。

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Ａの原波形
をバイパスフィルタ回路である（−Ｌ　２．−１）フィ
ルタに通して第５図Ｂの波形を得る。この（−Ｌ　２．
　−１）フィルタによるｉ番目のサンプル点の値Ｈ８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。

Ｈｔ−−Ｆ＝−＋　＋２　Ｆ；−Ｆｉ、。

＝−（Ｆｉ、Ｉ−Ｆｉ）＋（Ｆ＝Ｆｉ−１）−−（Δｉ
＋１−Δ、）　　　　　　　・・・・（２Ｂ）即ち、Ｈ
８は差分Δ、。、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、Ｈｌは実質的
にＦ□の２次微分に等しくなり、原波形に（−Ｌ　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Ｏ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ｙｉとすると、第６図の各サンプル
点Ｐ、の値はｙ１′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Ｔ、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Ｐ、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。

’ｒ＋＝ΣＰ　Ｔｒ　ｙｒ’　／　（Σｙ、′ｒ）　　
　・＝・（５）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（１０）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、原波形（第９図Ａ
）に予めローパスフィルタ回路であル（１／４．２／４
．１／４）フィルタによる処理及びサンプル点を１７２
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＜　（−Ｌ２．−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（ＩＯ
Ｂ）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（１６Ａ）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．　ｌ／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図已に示す如＜　（
−１，２，−１）フィルタによって２次微分を施す。こ
れにより、第１Ｏ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（工６）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（１６）
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１０図Ｃの波形にバンドパスフィルタ回
路である（−Ｌ−１，−Ｌ　２．２．２．−１゜−Ｌ−
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（２ｏ）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、信号波形のピーク位置をより正確に検
出できる利益がある。

【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
構成を示すブロツク図、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）は第１ピーク、（１６）は第２ピーク、（２０
）は第３ピーク、（１５）　、　（１９）　、　（２３
）は夫々直線である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 信号波形の２次微分を求め、該２次微分結果をべき乗し
   、該べき乗した結果の重心の位置を上記信号波形のピー
   クの位置と判定するようにしたことを特徴とする信号波
   形のピークのサーチ方法。