JP7149175B2

JP7149175B2 - Ｅｃｇピーク検出装置

Info

Publication number: JP7149175B2
Application number: JP2018236116A
Authority: JP
Inventors: 美継鈴木
Original assignee: Ueda Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Ueda Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2038-12-18
Also published as: JP2020096710A

Description

本発明は、ＥＣＧピーク検出装置に関し、特に、ＥＣＧ信号のピークのタイミングを検出する装置に関する。

心臓の拍動を計測する装置として心電計が広く用いられている。心電計は、人体に接触させる複数の電極を備えている。心電計は、複数の電極間の電位差から心臓の拍動の時間波形を示す心電図（ECG：Electrocardiogram）を取得する。心臓の状態を評価する際には心拍間隔が評価されることが多い。心拍間隔は心電図波形におけるＲ波のピークが現れる時間間隔をいう。ここで、Ｒ波のピークとはＲ波の極大点をいい、以下の説明においてＲ波のピークを単にピークという。心電計は、心電図波形のピークが現れるタイミングを検出し、時間軸上で隣接するピークの時間間隔を求めることで、心拍間隔を求める。

以下の特許文献１にはＥＣＧデータを分析するための携帯型システム（心電計）に関する記載がある。この文献には、ＥＣＧによって示される時間波形のピークを、非線形増幅によって誇張する処理が記載されている。

特表２０１５－５１９０８７号公報

一般に、心電図波形のピークのタイミング検出は、心電図波形のレベルが所定の閾値を超えるタイミングを検出することで行われる。しかし、複数の電極間の電位差から求められた心電図波形にはノイズが含まれている。そのため、心電図波形のレベルにはノイズによる誤差が含まれており、検出されるタイミングに誤差が生じることがある。

本発明は、心電図波形のピークタイミングの検出精度を向上させることを目的とする。

本発明は、ＥＣＧ信号を自乗して、自乗ＥＣＧ信号を生成する自乗演算部と、前記自乗ＥＣＧ信号に対して微分演算を施して、微分・自乗ＥＣＧ信号を生成する微分演算部と、前記微分・自乗ＥＣＧ信号のゼロクロスタイミングを検出するゼロクロスタイミング検出部と、を備えることを特徴とする。

望ましくは、前記自乗演算部、前記微分演算部および前記ゼロクロスタイミング検出部のそれぞれは、サンプリングされた信号を処理し、前記ゼロクロスタイミング検出部は、前記微分演算部によって時系列で順次生成される前記微分・自乗ＥＣＧ信号のサンプル値に対してゼロクロスタイミングを検出する検出処理を実行し、前記検出処理は、最新のサンプル値よりも所定個数だけ前のサンプル値が所定の判定値以上であり、最新のサンプル値が当該判定値未満であるときに、当該最新のサンプル値が得られたタイミングをゼロクロスタイミングとして検出する処理を含む。

本発明によれば、心電図波形のピークタイミングの検出精度を向上させることができる。

心電計の構成を示す図である。ＥＣＧ信号の例を示す図である。自乗ＥＣＧ信号の例を示す図である。微分・自乗ＥＣＧ信号の例を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る心電計１の構成が示されている。心電計１は、電極Ｅ１～Ｅ３、ＥＣＧ信号生成部１０、ＥＣＧピーク検出部１６、および心拍間隔演算部２４を備えている。電極Ｅ１～Ｅ３は被検体に装着される。ＥＣＧ信号生成部１０は、３つの電極Ｅ１～Ｅ３の電位に基づいて、拍動の時間波形を示すＥＣＧ信号を生成し、ＥＣＧピーク検出部１６に出力する。ＥＣＧピーク検出部１６は、ＥＣＧ信号のピークタイミングを検出し、ピークタイミングを示すピークタイミング情報を心拍間隔演算部２４に出力する。このピークタイミング情報は、被検体の心臓の拍動に伴って時間経過と共に順次現れるＥＣＧ信号の各ピークについてピークタイミングを示す。ピークタイミング情報は、ＥＣＧ信号の各ピークをパルス時間波形によって示す信号であってもよい。心拍間隔演算部２４は、ピークタイミング情報に基づいて時間軸上で隣接するピークについて心拍間隔を求める。

心電計１の具体的な構成および動作について説明する。ＥＣＧ信号生成部１０は、入力回路１２およびＡ／Ｄ変換部１４を備えている。入力回路１２には電極Ｅ１～Ｅ３が接続されている。入力回路１２は、電極Ｅ１～Ｅ３のそれぞれの電位を検出する。入力回路１２は、電極Ｅ１～Ｅ３のそれぞれの電位に基づいて、心臓の拍動を示す検出信号を生成する。入力回路１２はアナログ回路によって構成され、次のような動作によって検出信号を生成する回路であってよい。すなわち、入力回路１２は、電極Ｅ３の電位を基準とした電極Ｅ１の電圧Ｖ１から、電極Ｅ３の電位を基準とした電極Ｅ２の電圧Ｖ２を減算した電圧に基づいて検出信号を生成してよい。

Ａ／Ｄ変換部１４は、検出信号を所定のサンプリング周期でサンプリングし、時間軸上で連なるサンプル値を表すディジタル信号を生成する。Ａ／Ｄ変換部１４は、このようにして生成されたディジタル信号であるＥＣＧ信号をＥＣＧピーク検出部１６に出力する。

ＥＣＧピーク検出部１６は、自乗演算部１８、微分演算部２０、およびゼロクロスタイミング検出部２２を備えている。ＥＣＧピーク検出部１６は、プロセッサによって構成されてよい。プロセッサは、自らが記憶するプログラム、または外部の記憶装置から読み込まれたプログラムを実行することで、各構成要素（自乗演算部１８、微分演算部２０、およびゼロクロスタイミング検出部２２）を構成する。また、ＥＣＧピーク検出部１６に含まれる各構成要素は、ディジタル回路によって個別に構成されてもよい。

自乗演算部１８は、ＥＣＧ信号を自乗して、自乗ＥＣＧ信号を生成する。すなわち、自乗演算部１８は、時間軸上で連なるＥＣＧ信号の各サンプル値を自乗して、自乗ＥＣＧ信号を生成する。微分演算部２０は、自乗ＥＣＧ信号に対して微分演算を施して、微分・自乗ＥＣＧ信号を生成する。すなわち、微分演算部２０は、最新のサンプル値から時間軸上でｊ個だけ前（所定時間だけ前）のサンプル値を減算した差分値を求め、微分・自乗ＥＣＧ信号の最新のサンプル値を生成する。ここで、ｊは任意の自然数である。微分演算部２０は、自乗演算部１８から時間経過と共に順次出力される自乗ＥＣＧ信号のサンプル値に対して、微分・自乗ＥＣＧ信号のサンプル値を順次求める。

ゼロクロスタイミング検出部２２は、微分・自乗ＥＣＧ信号のゼロクロスタイミングを検出することで、ＥＣＧ信号および自乗ＥＣＧ信号のピークタイミングを検出する。そして、検出されたピークタイミングに基づくピークタイミング情報を生成し、心拍間隔演算部２４に出力する。ここで、ゼロクロスタイミングとは、微分・自乗ＥＣＧ信号の極性が変化するタイミングをいう。微分・自乗ＥＣＧ信号は、自乗ＥＣＧ信号に微分演算を施した信号であるため、ゼロクロスタイミングは、ＥＣＧ信号および自乗ＥＣＧ信号のピークタイミングに一致する。

ゼロクロスタイミングの検出は、例えば、次のようにして行われる。すなわち、微分・自乗ＥＣＧ信号の最新のサンプル値が所定の判定値未満であり、最新のサンプル値よりもｋ個だけ前のサンプル値がその判定値以上であるという条件が成立したときに、ゼロクロスタイミング検出部２２は、その最新のサンプル値が微分演算部２０から出力されたタイミングをゼロクロスタイミングとして検出する。ここで、ｋは任意の自然数であり、上述の自然数ｊと同一の値であってもよい。なお、ゼロクロスタイミング検出部２２は、上記の条件が成立したときにおける最新のサンプル値が微分演算部２０から出力されたタイミングの他、このタイミングを所定時間だけ遅延させたものをゼロクロスタイミングとして、ピークタイミング情報を生成してもよい。

ゼロクロスタイミング検出部２２は、ゼロクロスタイミング、すなわち、ピークタイミングを示すピークタイミング情報を生成し、心拍間隔演算部２４に出力する。心拍間隔演算部２４は、ピークタイミング情報に基づいて時間軸上で隣接するピークについて心拍間隔を求める。

図２にはＥＣＧ信号の例が示されている。横軸は時間を示し、縦軸はＥＣＧ信号のレベルを示す。ＥＣＧ信号５０には、包絡線上の値が極大となるＰ波、包絡線上の値が極小となるＱ波、包絡線上の値が極大となるＲ波、包絡線上の値が極小となるＳ波、および包絡線上の値が極大となるＴ波が順に現れている。本実施形態に係る心電計１の検出対象は、Ｒ波のピークである。

図３には自乗ＥＣＧ信号の例が示されている。自乗ＥＣＧ信号５２は、ＥＣＧ信号５０を自乗したものであるため、ノイズレベルに対する信号レベルの比率を表す信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が大きくなる。

図４には微分・自乗ＥＣＧ信号の例が示されている。図４には、微分・自乗ＥＣＧ信号５４と共に、判定値Ｔを示す直線およびサンプル点Ｐ１～Ｐ３が示されている。

上記のように、ゼロクロスタイミング検出部２２は、微分・自乗ＥＣＧ信号５４の最新のサンプル値が判定値Ｔ未満であり、最新のサンプル値よりもｋ個だけ前のサンプル値が判定値Ｔ以上であるという条件が成立したときに、最新のサンプル値が微分演算部２０から出力されたタイミングをゼロクロスタイミングとして検出する。図４に示される例において、ｋ＝１とした場合、およびｋ＝２とした場合のいずれの場合においても、最新のサンプル値Ｐ３のタイミングがゼロクロスタイミングとして検出される。すなわち、ｋ＝１の場合には、最新のサンプル値Ｐ３が判定値Ｔ未満であり、１つ前のサンプル値Ｐ２が判定値Ｔ以上であるという判断がされる。この判断に基づき、サンプル値Ｐ３のタイミングがゼロクロスタイミングとして検出される。ｋ＝２の場合には、最新のサンプル値Ｐ３が判定値Ｔ未満であり、２つ前のサンプル値Ｐ１が判定値Ｔ以上であるという判断がされる。この判断に基づき、サンプル値Ｐ３のタイミングがゼロクロスタイミングとして検出される。

本実施形態に係る心電計１は、ＥＣＧ信号から自乗ＥＣＧ信号を生成し、Ｓ／Ｎ比を向上させた上で微分・自乗ＥＣＧ信号を生成する。微分・自乗ＥＣＧ信号は、自乗ＥＣＧ信号の時間変化率を示す信号である。そのため、微分・自乗ＥＣＧ信号のレベルは、自乗ＥＣＧに含まれるノイズレベルの影響を受け難く、さらには、微分・自乗ＥＣＧ信号のゼロクロスタイミングもまた、ノイズレベルの影響を受け難い。したがって、本実施形態に係る心電計１によれば、ＥＣＧ信号にピークが現れるタイミングが高精度で検出される。

１心電計、１０ＥＣＧ信号生成部、１２入力回路、１４Ａ／Ｄ変換部、１６ＥＣＧピーク検出部、１８自乗演算部、２０微分演算部、２２ゼロクロスタイミング検出部、２４心拍間隔演算部、５０ＥＣＧ信号、５２自乗ＥＣＧ信号、５４微分・自乗ＥＣＧ信号、Ｅ１～Ｅ３電極。

Claims

ＥＣＧ信号を自乗して、自乗ＥＣＧ信号を生成する自乗演算部と、
前記自乗ＥＣＧ信号に対して微分演算を施して、微分・自乗ＥＣＧ信号を生成する微分演算部と、
前記微分・自乗ＥＣＧ信号のゼロクロスタイミングを検出するゼロクロスタイミング検出部と、
を備えることを特徴とするＥＣＧピーク検出装置。
請求項１に記載のＥＣＧピーク検出装置において、
前記自乗演算部、前記微分演算部および前記ゼロクロスタイミング検出部のそれぞれは、サンプリングされた信号を処理し、
前記ゼロクロスタイミング検出部は、前記微分演算部によって時系列で順次生成される前記微分・自乗ＥＣＧ信号のサンプル値に対してゼロクロスタイミングを検出する検出処理を実行し、
前記検出処理は、
最新のサンプル値よりも所定個数だけ前のサンプル値が所定の判定値以上であり、最新のサンプル値が当該判定値未満であるときに、当該最新のサンプル値が得られたタイミングをゼロクロスタイミングとして検出する処理を含むことを特徴とするＥＣＧピーク検出装置。