JPH0465686B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、生体電気信号、特にトランスジユー
サにより得られる胎児の心拍信号を処理し、胎児
心拍数として計数する胎児心拍計数装置に関する
ものである。

（従来の技術） 従来、この種の胎児心拍計数装置として、例え
ば特公昭57−5539号公報に示された発明がある。

この従来の方式は、胎児心拍信号をデジタル信
号に変換し、自己相関関数演算により得られた自
己相関関数の複数の相関値ピークのうち、最初に
発生した相関値ピークを基準として、次に発生す
る相関値ピークの大きさ、位置等を比較し、どち
らかの相関値ピークを選択する方式であり、最終
的に選択された相関値ピークに対応する時間差τ
を胎児心拍数に変換することにより胎児心拍数計
測を行う方式であつた。

第７図は従来の自己相関を用いた胎児心拍数計
の基本構成図を示し、１は超音波ドツプラー法等
で得た胎児心拍信号を波形整形しデジタル信号に
変換する回路、２は前記デジタル信号から胎児心
拍の周期を抽出するためのデジタル自己相関演算
回路、３は前記自己相関演算回路で得られた相関
値の複数のピークのうち胎児心拍周期に対応する
有効な相関値ピークを決定する相関値ピーク検出
回路、４は上記の有効な相関値ピークに対応する
時間差τを胎児心拍数に変換する回路、５は自己
相関関数演算回路２における自己相関忘却時定数
を制御する回路、６は上記全回路から情報を得て
上記全回路を制御するための制御信号を発生する
制御信号発生回路である。

上記の回路構成により、胎児心拍信号の自己相
関関数を求め、複数の相関値ピークの中から有効
な相関値ピークを検出し、この相関値ピークに対
応する時間差τを胎児心拍数に変換して胎児心拍
数を計数するようにしたものである。

第８図は従来の有効な相関値ピークを検出する
基本思想を示す為に、相関値曲線の一例を示した
ものである。理想的な周期関数の自己相関曲線で
あつても、基本の周期τ₁の相関値ピークP₁に対
し、２倍、３倍の周期τ₂，τ₃にも相関値ピーク
P₂，P₃が出現する。実際には、入力信号の雑音
等により相関値曲線は複雑な影響を受け、基本周
期のピークP₁より２倍、３倍の周期の相関値ピ
ークP₂，P₃の方が大きくなる等の現象が生ずる。
このため、単純に最大の相関値ピークを検出して
その相関値を直ちに胎児心拍数に変換することが
出来ない。従つて、相関値曲線中の数ある相関値
ピークの中から胎児心拍周期に対応する正しい相
関値ピークを抽出するプロセスをどう構成するか
は極めて重要である。

このため、従来は、例えば第８図で図示するよ
うに、上限胎児心拍数の周期に対応する時間差τs
以後における最初の相関値ピークP₁を検出し、
これに対応する時間差τ₁のＮ％増の時間差（１＋
0.01N）τ₁以後において生じた相関値のピーク
P₂，P₃が、最初のピークP₁の相関値R₁のＭ％増
の相関値（１＋0.01M）R₁以下の場合にはP₁を最
終的な相関値ピークとして検出し、またピーク
P₂，P₃の相関値R₂，R₃が最初のピークP₁のＭ％
増の相関値（１＋0.01M）R₁を超えた場合にはP₂
またはP₃を最終的な相関値ピークとして検出す
るプロセスにより胎児心拍周期に対応する相関値
ピークを定め、この相関値ピークに対応する時間
差τ₁，τ₂又はτ₃を胎児心拍数に変換することによ
り胎児心拍数の計測を実現させていた。

（発明が解決しようとする問題点） 前記のとおり、胎児心拍周期に対応した時間差
τのピークが常に最初に発生するとは限らず、ま
た常に最大のピークになるとは限らない。自己相
関の性質から胎児心拍周期の２倍値、３倍値等に
対応する時間差τのピークが最大となる場合もあ
る。

第９図はこれを説明する為の不整脈の胎児心拍
信号の例であり、T₄≒T₂＞T₃≒T₁の関係で１心
拍毎に周期が大きく増減する心拍信号波形であ
る。

第１０図は第９図に示す心拍信号の自己相関演
算波形を示し、心拍周期T₄，T₃，T₄＋T₃に対応
する時間差τを各々τ₄，τ₃，τ₄＋τ₃とする。

心拍周期T₄（≒T₂），T₃（≒T₁）が異なるため、
これに対応する相関値ピークP₄，P₃は異なる時
間差τの位置に発生し比較的小さなピークとな
る。

これに対し、₄＋T₃はT₂＋T₁にほゞ等しくなる
ため、これに対応する相関値ピークP₄，₃は比較的
大きく成長することになる。従つて、従来の方法
で相関値ピークを検出すると、この状態では有効
な相関値ピークとしてP₄，₃を検出して正しい心拍
周期の約２倍値を計測してしまうことになり、従
来法ではこのような１心拍毎に大きく増減する不
整脈のある胎児心拍周期は正確に計測出来ないと
いう問題があつた。

（問題点を解決するための手段と原理） 上述のように、複数の相関値ピークの中から有
効な一つの相関値ピークを検出することはきわめ
て重要な意味を持つものであるが、従来の方法で
は、胎児心拍周期に対応する正しい相関値ピーク
を検出することに困難があつた。

この発明は上記のような事情に鑑みなされたも
のであつて、より合理的な方法で胎児の心拍周期
に対応する正しい相関値ピークを検出する胎児心
拍計数装置を提供する事を目的とする。

第１図は、本発明に係る胎児心拍計数装置の実
施例の概略構成図を示すものであり、１は超音波
ドプラ法等で採取した胎児心拍信号を波形整形し
デジタル信号に変換する手段、２は前記デジタル
信号の自己相関関数を計算する為の自己相関演算
手段、７は前記デジタル信号又はその自己相関関
数について移動平均などを行いサンプルデータを
作成する手段、８は７のサンプルデータをフーリ
エ変換しパワスペクトルを得る手段である。

９はパワスペクトルの特定周波数範囲内の最大
ピークを検出し、この最大パワピークの周波数か
ら時間差τを求め、その前後の位置範囲を胎児の
心拍周期に対応する時間差τの範囲として決定す
る手段である。

３は９で決定された時間差τの範囲に基づいて
２の自己相関値の有効なピークを検出し有効な時
間差τを決定する手段、４はその有効な相関値ピ
ークに対応する時間差τを基に胎児心拍数を求め
る手段、５は２の相関演算で用いる自己相関忘却
時定数を９で得られた最大パワピークの周波数に
基づき制御する手段、６は上記全回路から情報を
得て上記全回路を制御する為の制御信号を発生す
る手段であり、これらはマイクロプロセツサによ
りプログラムで演算処理される。

自己相関演算手段２により得られる自己相関関
数Ｒ（τ）は、胎児心拍信号Ｘ(t)がその時刻から
時間差τだけ離れた時刻における心拍信号とどれ
だけ類似性を有しているかを示すものである。

デジタル信号や自己相関関数のフーリエ変換等
から得られる８の出力のパワスペクトル(f)は、信
号中のその周波数の出現性の強さを示すものであ
り、パワスペクトルのピークはどの周波数の成分
が最も強く出現しているかを示すものである。よ
つて、パワスペクトルＰ(f)が最大ピークになる周
波数ｆから対応する時間差τの範囲を定め、その
範囲にある相関値Ｒ（τ）のピークのτを求め、
そのτから心拍周期を求めれば、波形類似性と周
期性との両面から判断して正しいと考えられる心
拍周期を弁別したことになり、正しい胎児心拍周
期が求められることになるものである。

フーリエ変換を電子計算機で計算するために
は、周知のように、離散的フーリエ変換（DFT）
を用いるが、それだけではＮ個のデータに対し必
要な掛算の総数がＮの２乗個となり、Ｎが大きい
と計算時間が膨大なものとなる。

したがつて、実用的な計算方法としては、周知
の高速フーリエ変換（FFT）を利用し、例えば
計算時間をNiog₂Nに比例する時間に減少させる
計算アルゴリズムを用いて計算時間を短縮する。

FFTは各種の計算アルゴリズムが発表されて
いて実用になるプログラムも準備されており、ま
た専用のデジタルシグナルプロセツサもあるの
で、これを用いて容易にフーリエ変換を実行する
ことができる。

フーリエ変換を計算する時間を減少させるた
め、データ圧縮してこれを用いる。前述の７はこ
のためのサンブルデータ作成手段であり、サンプ
リング、移動平均、ローパスフイルタ処理等によ
り８のパワスペクトル取得手段へ供給するサンブ
ルデータを作成する部分である。

サンプルデータ作成手段７は、単に上記のよう
に構成しても良いが、更に効率よくFFTを実行
すために、実施例では移動平均を含むローパスフ
イルタ処理を行い、サンプル点数Ｎ個のデータを
作成し、その裏返しのデータを加えて対称な2N
個のサンプルデータを作成している。こうするこ
とにより、求められたフーリエ変換は虚数部が全
て０、すなわち実数になるので、自己相関関数を
フーリエ変換した場合は、実数としてパワスペク
トルＰ(f)が直接に求まるし、前記デジタル信号を
フーリエ変換した場合にはパワスペクトルＰ(f)を
求める計算が複素数計算でなくなり、極めて簡単
に行えるようになる。これは計算時間の短縮や装
置コストの低減に極めて有効であり、大きな利点
が得られる手段である。

対称な2N個のサンプルデータ作成については、
サンプル点数Ｎ個のサンプリングデータにその裏
返しデータを加える例を示したが、裏返し前のＮ
個のデータとしては、サンプリングデータにいく
つかの０データを加えたデータを対象Ｎ個データ
としても良い。

次に８については、これにより得られたパワス
ペクトルの最大ピークの周波数は、このときの最
も信頼性のある周波数、すなわち胎児心拍数を表
現しているものであるので、パワスペクトルの特
定周波数範囲内での最大ピーク周波数から、例え
ば第５図に示すような時間差τの範囲を限定し
て、上記範囲内の自己相関の相関値ピークを前記
３で検出すれば良いことになる。

得られるパワスペクトルには、不要な或いは無
意味な周波数も含まれているので、必要な周波数
範囲も特定し、この範囲内での最大ピークを求め
るようにする。

上述のように、本発明によれば非常に信頼性の
ある胎児心拍周期が求められるが、用いるフーリ
エ変換のアルゴリズムとシステムによつては、そ
の計算時間が問題になることも考えられる。

胎児心拍計数装置では、瞬時に胎児心拍周期を
求め、胎児心拍数として出力することが望まれる
ので、本発明ではこれによる時間遅れを回避し、
瞬時出力ができるような構成も開示する。第６図
はその方法を説明するための図であり、心拍信号
ＡはA₁とA₂間の時間が上限胎児心拍数に相当す
る上限周期Ｔ（Ｔ≒250ms）に近い胎児心拍信号
である。

方式１，方式２は胎児心拍信号の処理の順序と
時間を表現しており、T_FはFFTの演算時間であ
り、例えば図のようにＴの半分以上の時間を必要
とするものとする。T_CへFFTの後のパワスペク
トルの最大ピークの周波数から限定された範囲の
相関値ピークを検出し、胎児心拍数に変換する迄
の計算時間であり、これはＴに比較して充分に短
い時間であるとする。するとT_F＋T_Cはこの例で
あれば方式１の経過をたどるので出力が心拍信号
入力から約１心拍分遅れることになる。

これを回避する為に方式２の順序にして、最大
パワピークの周波数としてA₁以前の心拍信号に
より既に計算されている最大パワピークの周波数
の多数値又は移動平均値を使用して、A₁が発生
後直ちにこれにより限定された時間差τの範囲内
の相関値ピークをT_Cで検出し、検出された時間
差τを胎児心拍数に変換して出力させるようにす
ることができる。

A₁による新しいFFT計算はT_Cの後でT_Fとして
実行すれば良く、この新しいFFTの最大パワピ
ークの周波数はA₂以後の相関値ピーク検出に使
用するためにメモリに記憶させる。このようにす
れば、心拍信号入力から殆ど遅れることなく出力
させることができるようになる。

実際には、若干の追加の機能と共にこれを使用
する。すなわち上記のように構成した場合は、過
去の最大パワピークの周波数から時間差τの範囲
を限定しているので、心拍が時々１心拍だけ脱落
するような不整脈の場合等では、限定された時間
差τの範囲にはこれに対応する相関値ピークは存
在せず、誤つた周期を出力する恐れがある。従つ
てこれを回避するための機能として、限定した時
間差τの範囲に適切な相関値ピークが検出されな
い場合には、限定した範囲以外の時間差τの範囲
から適切な相関値ピークを検出する手段とか、最
大パワピークの周波数だけでなく、２番目或いは
３番目の極大値の周波数まで記憶させてこれを順
次最大パワピークの周波数として使用する手段等
を備えて、これらの手段と共に上記の方法を使用
すれば、一層的確に信頼性のある胎児心拍周期を
得られるように構成できる。

また、制御手段５は相関演算をするときに自己
相関忘却時定数を最大パワピークの周波数に基づ
いて自動的に適切な値に制御する手段であつて、
例えば最大パワピークの周波数が上限胎児心拍数
を超えた場合には、心拍信号のＳ／Ｎが悪化して
難音成分が増大したと判定し、自己相関忘却時定
数を増大せしめ、最大パワピークの周波数が胎児
心拍数の計測範囲にあるときは最大パワピークの
周波数に対応する時間差τに相応した大きさの自
己相関忘却時定数を選択するように自動的に制御
して、胎児心拍信号に相応した最も効率の良い自
己相関関数演算を行う。

上記のような各種の付加手段を用いれば本発明
は更に非常に効果的にこれを実施することが出来
るようになり、フーリエ変換によつてパワスペク
トルを得て最も信頼性のある胎児心拍数を表現す
るその最大パワピークの周波数から時間差τの範
囲を限定し、その範囲の相関値ピークを検出して
これに対する時間差τから正しい胎児心拍数を求
めることが可能となり、最も信頼性の高い胎児心
拍数を最も合理的な方法で最も効率よく計数可能
な胎児心拍数装置が得られるようになるものであ
る。

（実施例） 第２図は本発明に係る胎児心拍数装置の実施例
であり、１は胎児心拍信号を波形整形しデジタル
信号に変換する回路、２は前記デジタル信号から
胎児の心拍周期を抽出するための自己相関演算回
路、５は２の相関演算のための自己相関忘却時定
数を制御する回路、６は上記１，２，５等を制御
するための制御信号発生回路である。

１０〜２０は第１図で説明されている３，４，
７，８，９のマイクロプロセツサによりプログラ
ムで演算処理するための機能部分に相応するマイ
クロプロセツサシステムである。

１０は8085等のCPU回路（中央演算処理回路）
で、マイクロプロセツサシステムの全てを制御す
るとゝもに、プログラムに基づき全ての演算処理
を実行する機能部分、１１はアドレスデコーダ回
路で、１０のCPU回路の命令により１３のROM
回路、１４，１５のＩ／Ｏ回路、１８のRAM回
路等を選別し、これらと１０のCPU回路とを個
別に接続して活性状態にする機能部分、１２はア
ドレスラツチ回路で、１０のCPUのアドレス状
態を一時的に記憶しておく機能部分である。

１３は27256等のROM回路で、全てのプログ
ラムを記憶しておき、１０のCPUのコントロー
ルに基づきプログラムを出し入れする機能部分、
１４，１５は8155等のRAM付きの１０で、１０
のCPUが必要とするデータを入力する回路や、
１０のCPUが演算した結果を外部に出力する回
路や、１０のCPUが演算中の中間のデータを一
時的に記憶しておく回路等により構成される。

１９は１４から出力された胎児心拍数データを
表示する部分、２０は１４から出力された胎児心
拍数データを記憶する部分、１６，１７，１８は
２で演算された自己相関値データを１０のCPU
とは電気的に分離して自己相関値データを取り出
すための回路構成部分であり、１６はデータバス
を切り換える回路、１７はアドレスバスを切り換
える回路、１８は２の自己相関値データを記憶し
ておく回路である。

上記の回路構成により、胎児心拍信号をデジタ
ル信号に変換し、自己相関関数演算を行うところ
迄は従来と全く同じ技術と方法で実施できる。上
記以後の処理は、マイクロプロセツサによるプロ
グラム処理であり、その演算原理は第１図に基づ
き前記の（問題を解決するための手段と原理）の
項で既に説明したので、ここでは要点であるパワ
スペクトルを得る処理等について説明する。

第１図で示す７の処理を第３図で説明すると、
７ａは移動平均又はローパスフイルタ処理手段で
あり、胎児心拍数成分以外の雑音が含まれている
ときはこれを除き、またサンプリングにより相関
値データを減ずるときに発生する標本化誤差を除
くために行うものである。

また、７ｂはサンプリングデータの作成手段で
あり、７ａ，７ｂにより例えば全相関値データ数
512個のデータを16データ毎の移動平均として計
算し、この結果をサンプリング１データとする
と、総計Ｎ＝32個のサンプリングデータが作成さ
れる。

７ｃはＮ個のデータから対称となる裏返しデー
タを作成し2N個データとする手段であり、例え
ばＲ（０），Ｒ(1)……Ｒ（Ｎ−１）個のサンプリン
グデータの裏返しデータとして、Ｒ（2N−１）＝
Ｒ(1)，Ｒ（2N−２）＝Ｒ(2)，Ｒ（2N−３）＝Ｒ(3)…
…等により作成される。この結果、フーリエ変換
の実数部入力データが対称裏返しデータとなり、
FFT演算の結果は虚数部が全て０となり実数部
だけの答となる。

上記64データのFFTからは有効数32個のパワ
スベクトルが得られ、胎児心拍信号からデジタル
信号化するサンプリング間隔が3ms、対象とする
胎児心拍数の範囲が40〜210P／Ｍであるとする
ならば、これに対応するパワスペクトルの周波数
の範囲は第２次成分〜第11次成分となり、この中
の最大パワピークを検出すれば良いことになる。

この最大パワピークの周波数に対応する自己相
関関数の時間差τの前後の範囲を限定するため
に、パワスペクトル上で最大パワピークの周波数
の±１次成分に限定するものとすれば、最大パワ
ピーク検出範囲を第３次成分〜第10次成分にして
も対象とする胎児心拍数の範囲はカバーできるこ
とになる。

第４図の例では、パワスペクトルの周波数の範
囲第２次成分〜第20次成分で最大パワピークの周
波数第７次成分を検出し、その前後の第６次成分
及び第８次成分に対応する時間差τを求めれば、
それぞれ自己相関関数値の時間差170番目と時間
差128番目となり、時間差τの範囲をこの間に限
定できる。従つて第５図の自己相関値曲線の時間
差０番目〜511番目に対して相関値ピークの検出
範囲は時間差128番目〜170番目間に限定され、こ
の間の相関値ピークに対応する時間差τを胎児心
拍数に変換すれば正しい胎児心拍数が得られる。

（発明の効果） 本発明は、上記のように胎児心拍信号の自己相
関とフーリエ変換によりパワスペクトルの計算を
行い、従来は計測が困難であつた１心拍毎に大き
く増減する不整脈心拍をも正しく計測可能とした
ものであり、マイクロプロセツサを用いてフーリ
エ変換以後の処理を全てプログラムで実行できる
システムであるため、臨床的に価値が高く且つ極
めて簡、安価な胎児心拍計数装置を提供でき、分
娩監視を高い信頼性をもつて長時間にわたり連続
して実施することができるといつた諸効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明に係る胎児心拍数装
置の一実施例を示すもので、第１図は概略構成
図、第２図は構成図、第３図はサンプルデータ作
成の説明図、第４図はパワスペクトルの周波数範
囲を示す図、第５図はパワスペクトルから限定さ
れた時間差τの範囲を示す図、第６図は胎児心拍
周期とFFT演算処理時間を示す図、第７図は従
来の自己相関を用いた胎児心拍数計の基本構成
図、第８図は従来の相関値ピーク検出を説明する
原理図、第９図は不整脈を説明する胎児心拍信号
図、第１０図は不整脈心拍信号による自己相関演
算波形図である。 １……デジタル信号に変換する手段（Ａ／Ｄ変
換回路）、２……自己相関演算手段（自己相関演
算回路）、３……時間差τを決定する手段（相関
値ピーク検出回路）、４……胎児心拍数を求める
手段（胎児心拍数演算回路）、５……時定数制御
手段（時定数制御回路）、６……制御信号発生手
段（制御信号発生回路）、７……サンプルデータ
作成手段、８……フーリエ変換しパワスペクトル
を得る手段、９……時間差τの範囲を決定する手
段、１０……CPU回路、１１……アドレスデコ
ーダ回路、１２……アドレスラツチ回路、１３…
…ROM回路、１４……IO／RAM回路、１５…
…IO／RAM回路、１６……データバス切換回
路、１７……アドレスバス切換回路、１８……
RAM回路、１９……胎児心拍数表示部、２０…
…胎児心拍数記縁部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 胎児心拍信号を波形整形しデジタル信号に変
   換する手段と、該デジタル信号の自己相関関数を
   演算する手段と、該自己相関関数又は前記デジタ
   ル信号をフーリエ変換してパワスペクトルを得る
   手段と、該パワスペクトルの特定周波数範囲内で
   の最大パワピークを検出する手段と、該最大パワ
   ピークの周波数に対応する前記自己相関関数の時
   間差τを求めその前後の範囲を限定する手段と、
   該限定された範囲にある前記自己相関関数の相関
   値ピークを検出しこれに対応する時間差τを求め
   る手段と、該相関値ピークに対応する時間差τを
   基に胎児心拍数を求める手段とを具備することを
   特徴とする胎児心拍計数装置。 ２ 前記パワスペクトルを得る手段が、前記自己
   相関関数又は前記デジタル信号からサンプリン
   グ、移動平均又はローパスフイルタ処理等により
   サンプリングデータを作成する手段と、該サンプ
   リングデータ又は前記サンプリングデータに０デ
   ータを付加したデータ等をＮ個データとし、該Ｎ
   個データにその対称裏返しデータを加え2N個デ
   ータを作成する手段と、該2N個データをフーリ
   エ変換してパワスペクトルを得る手段とを備えて
   なることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の胎児心拍計数装置。 ３ 前記時間差τの範囲を限定する手段が、それ
   以前の胎児心拍信号で得られた複数の前記最大パ
   ワピークの周波数の多数値又は移動平均値を計算
   する手段と、該多数値又は移動平均値に対応する
   前記自己相関関数の時間差τを求めその前後の範
   囲を限定する手段とを備えてなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の胎児心
   拍計数装置。 ４ 前記自己相関関数を演算する手段が、過去の
   データを忘却する定数に相当する自己相関忘却時
   定数を前記最大パワピークの周波数に基づいて設
   定する手段を備えてなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項、第２項又は第３項記載の胎児心
   拍計数装置。