JPH06509914A - 測定信号中の準周期的な障害を補償する方法 - 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】 測定信号中の準周期的な障害を補償する方法濶定技術やデータ検出の多くの分野 では、所望の有効信号に不所望な障害信号が重畳される。この現象は一般的に干 渉と称せられる。物理的な測定条件を適切に変更して障害信号の作用を十分に低 減するのが不可能であることが多い。このような場合にはデータ検出後、測定信 号において適応形ディジタル信号処理の手法を用いることにより、障害の基準信 号を関与させて干渉を補償するように試みるでいる（干渉補償）。障害の有意の 成分が基準信号中に含まれていなければ、とりわけ困難なことになる。このよう な場合、適応形干渉補償のための公知の方法は役に立たない。

第１図には、干渉補償のための従来より公知の手法が略示されている（Ｂ、Ｗｉ ｄｒｏｗおよびＳ、　Ｄ、５ｔｅａｒｎｓ著の’　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｓｉｇｎ ａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”、　Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌ。

Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ　Ｃｆ１ｆｆｓ　ＮＪ、　１９８５）　、この公知の方法の 場合、障害信号の゛°監視”を基準信号ｎ′の形式で行うことを前提としている 。適応形フィルタにより、基ＩＩ！Ｉ（７Ｊ号ｎ′の時間的に順次連続する複数 個の値の線形結合または非線形結合が形成される。そして適応的に前処理された 基準信号は、障害を受けた測定信号Ｓ＋０から減算される。この場合、線形また は非線形の適応形フィルタのパラメータは、出力信号のエネルギーＥが最小値を とるように設定調整される。これにより出力信号中の障害成分は、最小２乗法に したがって最小化される（Ｂ、　Ｗｉｄｒｏｗ　１９８５）　。

干渉補償のための上述の典型的な手法は、干渉の全成分を１つの基準信号の適切 な線形または非線形の補償により表せることを暗黙的に前提としている。この条 件が満たされなければ、つまり障害の有意の成分が基準信号において表示内容と して含まれていなければ、この典型的な手法は役に立たず、ないしはこれによっ ても不十分な補償結果しか得られない。

干渉の実際の経過特性に関する確かな情報が基準信号によっても得られないよう な場合には、別の手法によって干渉の信号波形に関する信頼度の高い情報を得な ければならない。したがって本発明の課題は、干渉の特殊なケースであっていわ ゆる準周期的な干渉の場合のための、つまり干渉信号経過特性が周期的に繰り返 され周期期間も信号波形も確率的変動を受ける場合のための、干渉補償方法を提 供することにある。

この課題は、測定信号中に含まれる有効信号を同様に該測定信号中に含まれる障 害信号と分離するための、請求項１記載の特徴を有する方法により解決される。

つまり準周期的な干渉の場合には通常、補助信号を利用することができ、この補 助信号から干渉の目下の周期期間を導出できる。この種の補助信号は別の測定信 号から導出できることが多い。医療技術で適用する場合には、たとえばＥＣＧま たはＥＥＧから導出できる。別の適用事例の場合、この種の補助信号は場合によ っては適切なトリガ回路により測定信号自体から導出できる。このようにして測 定信号中の干渉信号の繰り返し時点がわかる。そして、全測定データセットに関 して測定信号を干渉に同期させて平均化することにより、干渉信号経過特性の推 定が行われる。このようにして得られた干渉周期の信号経過特性の推定事項は、 基準メモリ内にエントリされる。次に第２の時相において、第１図に示された基 本回路を有する適応形フィルタ処理が行われるが、この場合、基準信号ｎ′とし て基準メモリの内容が用いられ、推定された干渉信号経過特性がこの基準メモリ から周期的に干渉に同期して読み出される。慣用の手法では適応形フィルタ（第 １図）にそのまま供給されていた基準信号は、本発明による解決手法の場合、障 害となるものの目下の周期期間に関する情報を与えるだけである。そして適応形 フィルタ処理に有効な基準信号として、周期的に干渉に同期して読み出される基 準メモリの内容が用いられる。

この方法を実施する際、まずはじめに補助信号から一連のトリガ時点系列がめら れ、障害信号テンプレートが推定される。この障害信号テンプレートから、トリ ガ同期した基準信号が生成される。次に、トリガ同期したこの基準信号を用いた 測定信号の適応形フィルタ処理により、有効信号が障害信号から分離される。

従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。

本発明の１つの有利な実施形態の場合、測定信号をトリガ同期して平均化するこ とにより、測定信号から障害信号テンプレートが推定される。その際、一連の測 定終了後にこの一連の測定における全データを考慮してトリガ同期した平均化を 行うことができる。この代わりに、一連の測定進行中に測定信号をトリガ同期し て平均化することもできる。本発明による方法のこのような変形実施例により、 この方法はリアルタイムでの使用にも適したものになる。

さらに本発明による方法は、医学的温室データのフィルタ処理における適用に殊 に適しており、たとえば磁気的脳造影法における心拍干渉を補償するのに適して いる。この場合、補助信号は心電図から導出される。

ごく一般的に有利であるのは、障害信号テンプレートの互いに継ぎ合う移行個所 においてトリガ同期された基準信号の安定特性を保証する目的で、混合関数を用 いて障害テンプレートのトリガ同期した継ぎ合わせを繰り返すことにより、トリ ガ同期した基準信号を障害信号テンプレートから生成することである。磁気的脳 造影法において心拍干渉を補償するために医学的に適用する際に殊に有利である のは、上記の継ぎ合う移行個所を心房刺激の開始される少し前の時点と一致させ ることである。

第１図は、干渉補償用適応形フィルタの構成図である。

第２図は、準周期的な障害の典型的な補助信号の時間経過特性と所属のトリガ時 点を示す図である。

第３図は、基準信号の１周期と、測定信号をトリガ同期化して１５０回平均化し た後の基準メモリの所属の内容とを示す図である。

第４図は、基準メモリ内容をトリガ同期して周期的に継続させることにより、干 渉の人工的な基準信号を生成する原理を示す図である。

第５図は、線形の混合関数を採用して基準メモリ内容を繰り返し読み出すことに より連続する人工的基準信号を生成する様子を略示した図である。

次に、有利な実施例に基づき図面を参照して本発明の詳細な説明する。

この干渉補償方法は、基本的に２つの異なる動作手法で実施できる。第１の方法 実施例の場合、一連の測定における全測定データがディジタル計算機のメモリに 格納される。本来の測定信号のほかに補助信号Ｈ３（たとえばＥＣＧ信号、心電 信号）も記録され、これらの信号から障害の目下の周期期間ないしその繰り返し 時点（トリガ時点）を、トリガ動作によりめることができる。この方法はこの実 施例では２つの方法ステップにより構成されており、これら２つの方法ステップ の各々ですべてのデータセットを処理してしまうことが必要とされる。

第１の方法ステップにおいて適切なトリガ動作（たとえばシュミットトリガを用 いた閾値形成）により、いっしょに記録された補助信号Ｈ３がも障害信号の繰り 返し時点がめられる。これと同時に測定信号は、基準メモリ内のトリガ同期して 平均化される。

第２の方法ステップにおいて、記録されているトリガ同期して基準メモリの内容 が読み出される。このようにして人工的な基準信号が生成される。この人工的な 基準信号は、障害を除去すべき測定データとともに適応形フィルタへ導かれ、続 いてこのフィルターにより障害除去が行われる。

第１の方法ステップ 第２図には、準周期的な障害成分（たとえばＥＣＧ信号）に対する補助信号Ｈ８ の典型的な信号経過特性が示されている。適切な）・リガ手法により、瞬時の周 期期間をこの補助信号Ｈ８の経過特性からめることができる。第１の方法ステッ プにおいて、全データセットに対するトリガ時点が決定される。これと同時に測 定信号は、基準メモリ内のトリガ同期して平均化される。第３図には、基準信号 Ｒ３の１周期と、測定信号の１５０周期の平均化後の基準メモリにおける所属の 内容Ｒ３Ｉとが示されている。基準メモリ内容の中央には正弦波に似た信号成分 が存在していることが明瞭に示されており、この信号成分は基準信号中には示さ れていない。基準メモリの内容Ｒ３Ｉは、測定信号における実際の障害信号成分 （干渉）を推定したものであると捉えることができる。

第２の方法ステップ 第２の方法ステップにおいて、基準メモリの内容はトリガ同期して周期的に継続 されてい（。第４図には、基準メモリのこのような周期的な継続の過程が示され ており、これにより人工的な基準信号が生成される。

各周期において、基準メモリ内容の終点から始点への滑らかな移行を保証する必 要がある。これは次の手法により確実に行われる。

１　基準メモリ内容の始点ないし終点は、平均化された測定信号の広範囲にわた って非活動的である領域とできるかぎり一致させるべきである。

２、基準メモリ内容の終点から始点への連続的な移行を実現させなければならな い（混合関数ＭＦ）。

第５図には、線形の混合関数ＭＦを採用して基準メモリ内容を繰り返し読み出す ことによって、連続する人工的基準信号を生成する様子が示されている。このよ うにして得られた連続的な基準信号は、適応形フィルタへ導かれる。この適応形 フィルタの第２の入力側には、測定データが供給される。適応形フィルタにより 、時間的に順次連続する基準信号のサンプリング値の線形結合が形成され、これ により干渉の時間的変動ならびにトリガの時間的不確実性が補償される。この場 合、第５図に示されているように、基準メモリ内容を混合関数と図示のように乗 算することによって混合関数が取り入れられる。この混合関数は、１つの周期の 終点における値と次の周期の始点における値との加算によりｌが生じるような特 性を有することがら、このようにして基準メモリ内容の凸線形結合が第５図に示 されている加算により形成される。これにより１つの周期から次の周期への移行 に際して基準メモリ内容の連続的なつながりが保証される。

準周期的な干渉の場合のこの干渉補償方法の第２の実施例は、オフライン処理の ためではな（オンライン処理のために構想されている。したがって完全な測定デ ータセットの記録は不要であるし、測定データを用いた２つの別個の過程も必要 とされない。その代わりに、指数関数形弁記憶係数ａを用いて１つの周期から次 の周期への移行時に基準メモリの内容が更新される。

ａはＯと１の間で変化し得る値を有する係数であって、典型的な値は約０．９９ である。この指数関数形弁記憶係数を用いることにより、周期Ｋにおける基準メ モリの１つのメモリ素子の内容が、同じ基準メモリ素子の周期に−１における内 容から算出される。この計算は、周期に−１におけるこのような古い方の基準メ モリの内容を係数ａと乗算し、乗算されたこの値に基準信号の瞬時値を加算する ことにより行われる。

スタートに際してこの方法は、干渉信号経過特性の安定した評価が基準メモリに おいて構築されるまで、所定の始動期間を必要とする。この始動期間は典型的に は、障害信号の５０〜１００周期の長さである。

この方法は、磁気的脳造影図（ＭＥＧ）における心拍干渉の補償に殊に有利に使 用できる。磁気的脳造影図は、患者の脳内の病的異常中心部（を流源としてモデ ル化可能）により形成される著しく弱い磁界分布の測定に基づくものである。こ の磁界分布は高感度のセンサアレイにより測定され、このセンサはＭ　Ｅ　Ｇ測 定信号を供給する。

患者の脳内の病的異常活動によって形成された磁界分布に、患者の心臓活動で引 き起こされる遮蔽不可能な障害磁界が重畳される。したがってＭＥＧ測定信号は ３つの信号成分の重畳されたものと考えられる。すな才〕ち、 １、測定ノイズ ２、ＭＥＧ有効信号（測定すべき磁界分布の結果）３、心拍干渉（患者の心臓の 活動により引き起こされる準周期的な交番磁界の結果） 心拍干渉に関する付加情報として患者の心電図（ＥＣＧ）を用いることができる 。適切なトリガ手法により、心電図から心拍干渉の目下の周期期間をめることが できる。このようにして、本発明による方法を心拍干渉を補償するために使用で きる。

いずれにせよ両方の方法実施例において、補助信号から一連のトリガ時点系列（ ＴＩ、Ｔ２．Ｔ３．、、。

）がめられ、測定信号から障害信号テンプレートが推定される。このことは有利 には、トリガ同期した測定信号平均化により行わ２れる。一方の方法実施例の場 合、トリガ同期したこの測定信号平均化は、一連の測定終了後にこれら一連の測 定のすべてのデータを考慮して行われる。リアルタイムないしオンライン動作に 適している他方の方法実施例の場合、トリガ同期した上記の測定信号平均化は、 一連の測定進行中に行われ、これは有利には次のよう、にして行われる。すなわ ち、各トリガ時点ごとに、基準メモリのメモリ素子を指す１つのポインタをこの 基準メモリの開始点にセットし、セットされたポインタが目下指している基準メ モリのメモリ素子の内容を、係数で乗算されたこのメモリ素子の目下の内容と測 定信号の目下の値との和で書き換え、次にこのポインタを基準メモリの後続のメ モリ素子を舟すようにセントする。

障害信号テンプレートの推定後、このテンプレートからトリガ同期した基準信号 ＫＫＲが形成され、この基準信号は測定信号の適応形フィルタ処理に使用される 。この場合に有利には、トリガ同期した基準信号値の線形結合−この線形結合の 係数は適応的に誤差関数を最小化することにより決定される−が、測定信号がら 減算される。誤差関数として、測定信号とトリガ同期した基準信号値の線形結合 との平均化された差がとりわけ適している。

２つの周期間の継ぎ合わせ（中継連絡）個所においてトリガ同期した基準信号の 連続性を保証する目的で、障害信号テンプレートの互いに継ぎ合う移行個所ＵＢ において混合関数を用いて、障害信号テンプレートのトリガ同期した継ぎ合わせ を繰り返すことにより障害信号テンブレー１・からトリガ同期した基準信号を生 成すると、とりわけ有利である。障害信号テンプレートのトリガ同期した継ぎ合 わせの上記の反復を次のようにして行うと、とりわけを利である。すなわち、各 トリガ時点ＴＩ、Ｔ２．Ｔ３．．、、ごとに、基準メモリの１つのメモリ素子を 指すポインタを基準メモリの開始壱にセットし、セットされたポインタが目下指 しているメモリ素子の内容を、琵合関数においてこのメモリ素ｆに対ホする値と 乗算し、このポインタが目下指している穢モリ累子のアドレスに対しオフセント で定められた固定的な関係にあるアドレスを有する別のメモリ素子の内容を、同 じ混合関数においてこの別のメモリ素子に対応する値と乗算し、混合関数におけ る値とこのようにして乗算されたこれらメモリ素子の値を加算し、その和を目下 のトリガ同期した基準信号として送出し、次にこのポインタを後続のメモリ素子 を指すようにセットする。

継ぎ合う部分が障害信号テンプレートの非活動的な領域と一致するように障害信 号テンプレートを繰り返し継ぎ合わせれば、トリガ同期した基準信号ＫＫＲの安 定特性がさらに改善される。このことは殊に第３図、第４図ならびに第５図の考 察から明らかである。したがって、磁気的脳造影法において心拍干渉を補償する ためにこの方法を適用する場合、継ぎ合う部分が心房刺激の開始される少し前の 時点と一致するようにすれば、とりわけ有利である。

ＦＩＧ　２ ＦＩＧ３ｂ ＦＩＧ　４ ＦＩＧ５ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）住　所　ドイツ連邦共和国　８ ０００　ミュンヘン　２　ヴイツテルス住　所　〒１００東京都千代田区丸の内 ３丁目３番１号請　請求　の　範　囲 １．ｆｓ定信号中に含まれる有効信号を同様に該測定信号中に含まれる障害信号 から分離する方法において、ａ）補助信号から一連のトリガ時点系列をめ、ｂ） ｉ１１定信号のトリガ同期した平均化により障害信号テンプレートを推定し、 Ｃ）該障害信号テンプレートからトリガ同期した基準信号を生成し、 ｄ）トリガ同期した該基準信号を用いて前記測定信号をフィルタ処理することを 特徴とする、測定信号中に含まれる有効信号を該測定信号中に同様に含まれる障 害信号から分離する方法。

２、一連の測定完了後にこの一連の測定における全データを考慮してトリガ同期 した測定信号平均化を行う、請求項１記載の方法。

３、一連の測定進行中にトリガ同期した測定信号平均化を行い、該測定信号平均 化を、 ａ）各トリガ時点ごとに、複数個のメモリ素子を備え障害信号テンプレートをシ ーケンシャルに記憶する手段のポインタを、該記憶手段の開始点を指すように七 ソｌ−Ｌ、 ｂ）セットされたポインタが目下指示しているメモリ素子の記憶内容を、係数で 乗算された当該記憶素子の目下の内容と測定信号の目下の値との和で特表平６− ５０９９１４　（７） 書き換え、 Ｃ）次に前記ポインタを、後続のメモリ素子を指すようにセットすることにより 行う、 請求項１記載の方法。

４、測定信号のシリアルな適応形フィルタ処理により有効信号を障害信号から分 離する、請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。

５、トリガ同期した基準信号値の線形結合を測定信号から減算し、該線形結合の 係数は誤差関数の最小化により適応的に決定される、請求項４記載の方法。

６、前記誤差関数は、測定信号とトリガ同期した基準信号値の線形結合との平均 化された差である、請求項５記載の方法。

７、障害信号テンプレートの系列的配列の継ぎ合わせ個所においてトリガ同期し た基準信号の連続特性を保証するために、混合関数を用いて障害テンプレートの トリガ同期した継ぎ合わせを繰り返すことにより、トリガ同期した基準信号を障 害信号テンプレートから生成する、請求項１〜６のいずれか１項記載の方法。

８、障害信号テンプレートのトリガ同期した継ぎ合わせの反復を、 ａ）各トリガ時点ごとに、複数個のメモリ素子を備え障害信号テンプレートをシ ーケンシャルに記憶する手段のポインタを、該記憶手段の開始点を指すようにセ ットし、 ｂ）セットされたポインタが目下指示しているメモリ素子の内容を、混合関数に おいて当該記憶素子に対応する値と乗算し、 Ｃ）前記ポインタが目下指しているメモリ素子のアドレスに対しオフセットで定 められた固定的な関係にあるアドレスを有する別のメモリ素子の内容を、同じ混 合関数において該別のメモリ素子に対応する値と乗算し、 ｄ）このようにして混合関数の値と乗算されたこれらのメモリ素子の内容を加算 し、 ｅ）その和を目下トリガ同期している基準信号として送出し、 ｆ）次に前記ポインタを、後続のメモリ素子を指すようにセントすることにより 行う、 請求項７記載の方法。

９、継ぎ合う個所が障害信号テンプレートの非活動的な領域と一致するように、 障害信号テンプレートを繰り返し継ぎ合わせる、請求項７または８記載の方法。

１０、当該方法を磁気的脳造影法における心拍干渉の補償に適用し、補助信号を 心電図から導出する、請求項１〜９のいずれか１項記載の方法。

１１、当該方法を磁気的脳造影法における心拍干渉の補償に適用し、ｉＦＪ記の 継ぎ合う個所を心房刺激の開始される少し前の時点と一致させる、請求項９記載 の方法。

国際調査報告

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．測定信号中に含まれる有効信号を同様に該測定信号中に含まれる障害信号か ら分離する方法において、ａ）補助信号から一連のトリガ時点系列を求め、ｂ） 測定信号から障害信号テンプレートを推定し、ｃ）該障害信号テンプレートから トリガ同期した基準信号を生成し、 ｄ）トリガ同期した該基準信号を用いて前記測定信号をフィルタ処理することを 特徴とする、測定信号中に含まれる有効信号を該測定信号中に同様に含まれる障 害信号から分離する方法。
2. ２．測定信号をトリガ同期して平均化することにより測定信号から障害テンプレ ートを推定する、請求項１記載の方法。
3. ３．一連の測定完了後にこの一連の測定における全データを考慮してトリガ同期 した測定信号平均化を行う、請求項２記載の方法。
4. ４．一連の測定進行中にトリガ同期した測定信号平均化を行い、該測定信号平均 化を、 ａ）各トリガ時点ごとに、複数個のメモリ素子を備え障害信号テンプレートをシ ーケンシャルに記憶する手段のポインタを、該記憶手段の開始点を指すようにセ ットし、 ｂ）セットされたポインタが目下指示しているメモリ素子の記憶内容を、係数で 乗算された当該記憶素子の目下の内容と測定信号の目下の値との和で書き換え、 ｃ）次に前記ポインタを、後続のメモリ素子を指すようにセットすることにより 行う、 請求項２記載の方法。
5. ５．測定信号のシリアルな適応形フィルタ処理により有効信号を障害信号から分 離する、請求項１〜４のいずれか１項記載の方法。
6. ６．トリガ同期した基準信号値の線形結合を測定信号から減算し、該線形結合の 係数は誤差関数の最小化により適応的に決定される、請求項５記載の方法。
7. ７．前記誤差関数は、測定信号とトリガ同期した基準信号値の線形結合との平均 化された差である、請求項６記載の方法。
8. ８．障害信号テンプレートの系列的配列の継ぎ合わせ個所においてトリガ同期し た基準信号の連続特性を保証するために、混合関数を用いて障害テンプレートの トリガ同期した継ぎ合わせを操り返すことにより、トリガ同期した基準信号を障 害信号テンプレートから生成する、請求項１〜７のいずれか１項記載の方法。
9. ９．障害信号テンプレートのトリガ同期した継ぎ合わせの反復を、 ａ）各トリガ時点ごとに、複数個のメモリ素子を備え障害信号テンプレートをシ ーケンシャルに記憶する手段のポインタを、該記憶手段の開始点を指すようにセ ットし、 ｂ）セットされたポインタが目下指示しているメモリ素子の内容を、混合関数に おいて当該記憶素子に対応する値と乗算し、 ｃ）前記ポインタが目下指しているメモリ素子のアドレスに対しオフセットで定 められた固定的な関係にあるアドレスを有する別のメモリ素子の内容を、同じ混 合関数において該別のメモリ素子に対応する値と乗算し、 ｄ）このようにして混合関数の値と乗算されたこれらのメモリ素子の内容を加算 し、 ｅ）その和を目下トリガ同期している基準信号として送出し、 ｆ）次に前記ポインタを、後続のメモリ素子を指すようにセットすることにより 行う、 請求項８記載の方法。
10. １０．継ぎ合う個所が障害信号テンプレートの非活動的な領域と一致するように 、障害信号テンプレートを繰り返し継ぎ合わせる、請求項８または９記載の方法 。
11. １１．当該方法を磁気的脳造影法における心拍干渉の補償に適用し、補助信号を 心電図から導出する、請求項１〜１０のいずれか１項記載の方法。
12. １２．当該方法を磁気的脳造影法における心拍干渉の補償に適用し、前記の継ぎ 合う個所を心房刺激の開始される少し前の時点と一致させる、請求項１０記載の 方法。