JP5873875B2 - 信号処理装置、信号処理システム及び信号処理方法 - Google Patents

Description

以下の内容は信号処理の技術分野に関連する。実施の形態は生理学的な信号を処理する技術分野、特に周期的な生理学的信号を処理する技術分野に関連する。

一般開業医(General Medical Practitioner：GP)は可能性があれば心臓音を聴いて患者の心臓の異常を発見するために聴診器(stethoscope)を使用して聴診を行う。信頼性の高い診断を行うために、GPは熟練する必要がありかつ優れた聴診器を必要とする。(IEEE TBME，2007)の独自調査は、聴診器を用いた評価後にGPないし専門医に任される患者の約80％が正常であると認められることを示している。これは、聴診器を用いて正確な診断を行うことは困難であることを示している。

今日の市場では、ディジタル聴診器が利用可能である。これらは、ユーザに聞こえ得る周囲雑音をフィルタリングにより減らし、心臓音を強調し、心臓音を保存し、物によってはそれらの視覚的表現を表示する。

そのような装置は、通常、ノイズを減らすために信号をフィルタリングする。何らかのフィルタリングは信号の有用な成分も排除してしまう傾向がある。

従って、オリジナル信号の全ての周波数成分を維持する信号であってそれでも例えばオリジナル信号よりノイズが少ない信号を提供する信号処理装置をもたらすことが望ましい。

実施の形態による課題は、オリジナル信号の全ての周波数成分を維持する信号であってそれでも例えばオリジナル信号よりノイズが少ない信号を提供する信号処理装置及び信号処理方法等をもたらすことである。

開示される実施の形態による装置は、
対象の周期的な生理学的な信号を処理する信号処理装置であって、
前記信号のサイクルを検出するサイクル検出部と、
前記サイクルの特徴値を判定する分析部と、
判定した前記特徴値に基づいて前記サイクルを破棄又は保存する選択部と、
保存したサイクルを連結し、ユーザに出力する連結信号を生成する連結部と
を有する信号処理装置である。

開示される装置の実施の形態を示す概略図。 開示される装置の別の実施の形態を示す概略図。 開示される装置の別の実施の形態を示す概略図。 開示される装置の別の実施の形態を示す概略図。 開示されるシステムの実施の形態を示す概略図。 開示される方法を示す図。 開示される方法を使用する様子を示す図。

＜発明の概要＞
対象からの周期的な生理学的な信号を処理するそのような信号処理装置が開示され、信号処理装置は、
前記信号のサイクルを検出するサイクル検出部と、
前記サイクルの特徴値を判定する分析部と、
判定した前記特徴値に基づいて前記サイクルを破棄又は保存する選択部と、
保存したサイクルを連結し、ユーザに出力する連結信号を生成する連結部と
を有する信号処理装置である。

そのような装置は周期的な生理学的信号の選択的なサイクルを提供する。信号は、オリジナル信号の全ての周波数成分を含み、それでもノイズは少ないので、ユーザにとっていっそう有用である。本装置は、低エネルギ消費をもたらす点で更に有利であり、なぜなら信号の単独サイクルの選択は演算負担が少なく従って省エネルギ的に有利であるからである。

開示される装置は対象の鼓動又は心拍(heartbeats)を表す信号を処理するために使用されてもよい。心拍を表すこの信号は、例えば対象の心拍又心電図(ECG)信号により生成される音でもよい。

オリジナル信号の周波数成分を全て維持しそれでもノイズが少ない周期的な生理学的な対象からの信号を処理するユーザにとって更に有利な方法をもたらすことが好ましい。対象の周期的な生理学的な信号を処理するそのような方法は、
前記信号のサイクルを検出する検出ステップと、
前記サイクルの特徴値を判定する分析ステップと、
判定した前記特徴値に基づいて前記サイクルを破棄又は保存する選択ステップと、
ユーザに出力するために、保存したサイクル信号を連結する連結ステップと
を有する。

本方法は、そのような信号を使用する診断装置又はユーザにとって或る信号を利用可能にする利点を有し、その信号はオリジナル信号の全ての周波数成分を維持するが、少ないノイズであるように選択され、従って、オリジナル信号やフィルタリングされた信号よりもユーザにとっていっそう有用である。

周期的な生理学的な信号を処理してユーザに与える信号処理システムも開示される。信号処理システムは、
周期的な生理学的信号を与えるプローブと、
前記信号のサイクルを検出する検出部と、
前記サイクルの特徴値を判定する分析部と、
判定した特徴値に基づいて前記サイクルを破棄又は保存する選択部と、
保存したサイクルを連結し、連結信号を生成する連結部と
前記連結信号をユーザに出力する出力部と
を有する。

そのようなシステムは、対象についての周期的な生理学的な信号であって未処理の又はフィルタリングされた信号よりもユーザにとっていっそう有用な信号をユーザにもたらす利点を提供する。

＜実施の形態の詳細な説明＞
これら及び他の形態は添付図面を参照しながら以下の実施形態及び実現手段に基づいて例示的に詳細に説明される。

対応する参照番号は、各図で使用される場合、図中で対応する要素を表現する。

図1において概して100で示される開示される装置は、周期的な生理学的な信号の単独のサイクルを検出するサイクル検出部101を有する。分析装置103は、検出したサイクルを分析し、サイクルの特徴値を判定又は決定する。選択部105は所定の基準を用いて特徴値に基づいてサイクルを破棄又は保存の何れかを行う。連結部(107)は連結された信号を生成するために保存されたサイクルを連結する。

周期的な生理学的信号の具体例は、ECG信号、心拍音、心拍に起因する血流の音、及び呼吸の音等とすることが可能である。そのような周期的な生理学的な信号は対象の信号に関するノイズ信号を含んでいる。ノイズ信号をフィルタリング、除去又は選別することは、オリジナルの有用な信号のスペクトルの少なくとも一部に不都合に影響を及ぼしてしまうかもしれない。従って、開示される装置は、小さなノイズ成分しか有しない信号のサイクルを選択する。

考察される周期的な信号の単位は、周期的な信号のサイクルである。サイクル判定部101は、以後の分析及び処理に関する周期的な信号から1つのサイクルを検出する。1つのサイクルは、例えば、信号の最高ピークに基づいて検出されてもよい。例えば、生理学的信号が心拍音信号である場合、信号は、既知の時間の長さの検出により検出され、ディジタル化され及び保存されてもよい。保存された信号のピーク値は検出される。1つのピークから次のピークへの時間的な期間は、それらが主に等しいか否かを確認するために比較されてもよい。その場合、任意の2つの連続的なピーク間の信号は1サイクルとして取り扱われる又はみなされる。

分析部103は信号の選択されたサイクルを分析し、信号の所定の特徴の値を決定する。例えば、信号対ノイズ比(SNR)が判定されてもよい。この目的の場合、所定の周波数より高い全ての信号成分はノイズとして取り扱われる。発明者等は、例えば、600Hzより高い周波数の信号の成分を取り扱ってSNRを計算することが、心拍音信号の場合に相応しいことを見出した。しかしながら、600Hzは使用可能な唯一の周波数ではない。SNR計算の目的は、性能指数又は目安(figure of merit)を取得することであるので、他の何らかの周波数が使用されてもよく、その何らかの周波数より高い周波数では心拍音が他の著しい(significant)周波数成分を有しない。選択された周波数は、処理される周期的な生理学的な信号及びそれが含んでいる周波数成分に依存する。

選択部105は、特徴値が所定の基準に合致した場合にサイクルを保存する。例えば、特徴値がSNRであった場合、SNRがある閾値を上回っていた場合にそのサイクルを保存するために選択する。

連結部107は選択されかつ保存されたサイクルを連結する。選択されたサイクルが1つしかなかった場合、連結部は同じサイクルでサイクルを反復的に連結することが理解できる。実際の例では、これは、メモリに保存されたディジタル化されたサイクルが反復的にアクセスされ或いは読み出されて出力され、連続的なサイクルの信号として見えるようにすることを意味する。

一実施形態では、図2で全体的に200で示されているように、本装置は心音又は心拍音信号210及びECG信号208の双方を受信するように形成されている。ECG信号は、概して、P、QRS、T及びUのように言及される識別可能なランドマークを有する。これは、ECG信号の単独のサイクルの判定を簡易にする。心音はECG信号と同期しているので、心音の単独のサイクルを判断することはいっそう簡易になる。図2では、ランドマーク検出部209がECG信号を受信し、ランドマークを検出している。検出されたランドマークの時間的な具体例を用いて、サイクル検出部211は例えば心音信号の単独のサイクルを検出する。

しかしながら、SNRは信号のサイクルを選択したり破棄したりするために使用できる唯一の特徴ではない。例えば、心音はS1及びS2或いは心臓のラブダブ(lub-dub)音のように通常的には言及される2つの識別可能な部分を有する。最も有用なサイクルは識別可能なS1及びS2の音を有する。従ってサイクルはS1及びS2のエネルギに基づいて記憶のために選択されてもよい。決定される値の特徴はS1又はS2のエネルギであり、好ましくは双方である。S1又はS2のエネルギ又はS1及びS2エネルギの合計が対応する所定の閾値を超えていた場合、そのようなサイクルは記憶用に選択され、記憶され、連結される。発明者等は、S1及びS2のエネルギの総和とそのサイクルの総エネルギとの比率は、その特徴についての適切な尺度であることを見出した。特に、エネルギ比率又はエネルギレートが0.5より大きい場合、それは選択部105によって選択されてもよい。

一実施形態において、サイクルは、1つより多い数の特徴の値に基づいて選択されてもよい。すなわち、上記のエネルギの比率及びSNRは一例として決定されている。所与のサイクルにおいて、双方の値が対応する所定の閾値を超えていた場合に、そのサイクルが選択部105により選択されてもよい。

別の実施形態では、図3において概して300として示されているものは、1つより多い選択部を有する。先ず、選択部313が1つ以上の特徴に基づいてサイクルを選択する。選択部313はこの処理の実行を継続し、複数の選択されたサイクルを第2の選択部315に保存する。連結部はこれらのサイクルを出力するために連結する。しかしながら、第2の選択部が所定数のサイクルを有する場合に、それらは異なる選択基準に改めて従うことになる。第2の基準に合致しないサイクルは破棄され、連結部は残りのサイクルを連結する。

第2の選択部で使用される基準は例えばサイクル時間に基づいていてもよい。生理学的な信号のレートは時間と共に変化する。例えば、人が落ち着いている場合、心拍数は下がり、対象者が休息している場合に音が処理される場合と同様に心拍レートは低くなる。第2の選択は連結するサイクルを更に選択するためにそれを使用してもよい。例えば、保存されたサイクル全てのサイクル時間が計算され、それらの算術平均が第2の選択部によって計算される。更に、サイクル時間の標準偏差(SD又はσ)が計算されてもよい。閾値を上回るサイクル時間を有するサイクルは選択され、それ以外は破棄される。例えば、標準偏差を平均から減算して得られる値より大きなサイクル時間を有するサイクルのみが保持されるという基準であってもよい。或いは、平均値から1つ分の標準偏差の範囲内にサイクル時間が存在する全てのサイクルが選択されてもよい。これは、連結された信号が多くの均一なサイクル時間のサイクルから構成されるという利点をもたらす。

理解の簡明化の観点から、第1の選択部313及び第2の選択部315は別々の要素として説明されていることに留意を要する。しかしながら、実際の装置では、同じ選択部が説明された機能全てを実行してもよい。そのような場合、選択部313及び315を一緒に統合したものは、図3の破線枠で示されているような105として言及されてよい。

図4は開示される装置の別の実施の形態による概略図を示し、ユーザにとって適切な形式で連結信号を出力する出力部417を有する。出力部は、例えば、オーディオデバイスヘッドフォン、ビデオディスプレイユニット、触覚デバイス、ディジタルストレージユニット及びプリンタなどを駆動する1つ以上のドライバを有していてもよい。ユーザは、例えば、これらのうち1つ以上を同時に使用してもよい。例えば、心音を聞きながら表示部(図示せず)で心音の波形を見てもよい。ユーザは後に利用するための記録として印刷出力をとっておくことも可能である。

本願で説明される装置は、心拍音に基づいて、周期的な生理学的信号のソースと対象の心拍の生理学的な状態を自動的に判定する装置との間のインターフェースとして使用できる。例えば、開示される装置は、本願と同じ譲受人に譲渡された公開済みの特許明細書WO-2009138932-A1(特許文献1)で説明されているような装置に信号を与えていてもよい。信号はフィルタリングされないがそれでも高いSNRを有するので、その明細書に記載される装置の機能は、未処理の又はフィルタリングされる信号の場合よりもロバスト性が高い。

信号処理システムを更に説明する。図5に概略的に500として示されているように、本システムは周期的な生理学的な信号を処理しかつそれをユーザに提示する。そのようなシステムは、周期的な生理学的な信号を検出しかつ信号210を生成する1つ以上のセンサ519を有する。センサは、適切な任意の形式のものあってもよく、エレクトレットトランスジューサ(electret transducer)、エレクトロダイナミックトランスジューサ(electro-dynamic transducer)、ピエゾエレクトリックトランスジューサ又は容量性トランスジューサ等を含む群に属する適切な如何なるタイプのものであってよいがこれらに限定されない。これは、筐体内の機能ユニットに永続的に接続されてもよいし、或いはそれらに取り外し可能に取り付けられてもよい。本システムは当該技術分野で良く知られているようなECG電極及びリード521を有し、ECG信号を提供するために、筐体内の機能ユニットに永続的に取り付けられてもよいし、或いはそれらに取り外し可能に取り付けられていてもよい。ECG信号又はその他の周期的な生理学的な信号の1つのサイクルは、サイクル判定部211で検出される。

上述したように、その他の周期的な生理学的な信号のサイクルは、ECG信号及びECGランドマーク検出部209により検出されてもよい。分析部103はサイクル判定部103で検出されたサイクルの特徴の1つ以上の値を判定する。選択部313は、選択された1つ以上の特徴の検出された値に基づいて更なる処理を行うための信号を選択する。上述したように、第2の選択部315は他の特徴に基づいて別の選択を行ってもよい。連結部107は選択され保存されたサイクルを連結又は結合する。連結された信号は更に出力部417により処理される。出力信号は、視覚的なディスプレイ部523、オーディオ出力トランスジューサ525、接触可能な装置又はリモコン527、波形を印刷するプリンタ529及び信号を保存するストレージ部531のうちの1つ以上を駆動するために使用される。

記憶装置531はシステムの一部分であってもよい。例えば光ディスクのような取り外し可能な媒体に連結信号を記録する装置であってもよい。連結部107からの連結信号は、ディジタル形式であってもよく、そのまま保存されてもよい。或いは、出力部はその信号を、好ましくはロスレス圧縮を用いて保存のために圧縮してもよい。これらの信号は、例えば、出力コネクタ533、USBGコネクタを通じて出力され、他のリモートの携帯可能なメモリ装置に保存されてもよい。

本システムは説明された装置の形態の全ての要素を有するように説明されたが、そのことは必須でない。システムの設計者は、本開示内容に基づいて、ユーザに与える処理されるタイプの信号に特に適した組み合わせを選択できる。例えば、ECG信号のみが処理されることになっている場合、システムはオーディオ関連装置を備える必要はない。

図6を参照しながら、開示される方法を詳細に説明する。説明される方法は概して600で示されている。検出ステップ635において、周期的な生理学的な信号の単独サイクルが検出される。

サイクルを決定する方法の1つは、既知の数のサイクルを記録するのに十分長い期間にわたって信号を記録することである。記録される周期的な生理学的な信号の周波数範囲は既知であるので、それを行うのに必要な時間を計算することは可能である。そして、信号のピークが検出される。2つのピーク間の長さ又は信号は1つのサイクルとして取り扱われる。

信号サイクルが検出されると、信号の既知の特性が分析ステップ637で判定される。最も典型的な特徴は信号対雑音比(SNR)である。発明者等は、600Hzより高い周波数を有する信号の成分を取り扱ってSNRを計算することは、例えば周期的な生理学的な信号としての心拍音信号又は心音信号に適していることを見出した。他の信号に対して同様な閾値周波数の結論に至るかもしれない。しかしながら、心拍音信号についてさえ、600Hzが使用可能な唯一の周波数ではない。SNR計算の目的は、目安又は性能指数を取得することであるので、何らかの他の周波数が使用されてもよく、その何らかの他の周波数より高い周波数では、周期的な生理学的信号は著しい寄与を有しない。

以下の数式を使用することで、単独のサイクルのSNRを計算することができる。例えば、期間P_n(n)に関し、上限カットオフ周波数4000Hzは心音信号に適切な周波数であると見出され、心音信号のうちそれ以上の周波数エネルギは無視できる。

選択ステップ639において、信号対雑音比の値に基づいてサイクルが破棄される又は記憶のために選択される。少なくとも1つのサイクルが選択されると、それは連結ステップ641で連結される。1つのサイクルを連結する場合、同じ信号を反復的に繰り返すことと等価である。

より多くのサイクルが保存のために選択されると、その場合、それらは連続的な連結信号を提供するためにメモリから読み出される又は反復的に順に再生される。

或いは、分析部637で決定された周期的な生理学的信号のサイクルの特徴は、サイクルの所定の部分のエネルギであってもよい。例えば、ECG信号の場合、1つの波形のエネルギが判定されてもよい。その部分は、P波、QRS波、T波及びU波のうちの1つ以上であってもよい。

心拍音信号の場合、計算及び選択基準は次のように表現されてもよい：ここで、S1_energy、S2_energy、Sig_energyはそれぞれS1、S2及び合計信号のエネルギである。

より時間的に一様な信号を得るために、開示される別の実施形態では、図7に概略的に700で示されているように、第2の選択ステップ740を含んでいる。第2の選択ステップ740において1つ以上の選択された特徴の値に基づいて、個々のサイクルの選択が終わった後、サイクル各々の時間的期間が測定され、別の選択がサイクル各々の時間的期間に基づいてなされる。そのような方法の1つは、選択された全てのサイクルのサイクル時間についての平均及び標準偏差を計算し、平均値から少なくとも1つの標準偏差が減算された値のサイクル時間を有するサイクルのみを選択することである。これは、以下の不等式により表現され、T_cycleは所与のサイクルのサイクル時間であり、T_meanは1つ以上の特徴に基づいて事前に選択されたすべてのサイクルのサイクル時間の平均であり、σは標準偏差である。この場合、サイクル時間同士の間の変動は限られているので、説明されるように、始めに選択された全てのサイクルの連結信号よりも時間的にいっそう一様である。

T_cycle＞T_mean−σ
サイクル時間はサイクル時間判定ステップでサイクルを判定した時間に決定されてよいことが理解されるべきである。サイクル時間は第2の選択を行った時間に使用されてもよい。

以上、実施の形態は説明及び図面により詳細に説明されてきたが、そのような図面及び説明は例示的と考えられるべきでありかつ限定的であると解釈してはならない。本発明は説明された実施の形態に限定されない。

例えば、一実施形態では、本発明を実現するのに必要なハードワイヤがアドオン装置又は組み込み装置と呼ばれるものとして構築され、従来の又は先行技術のシステム又は装置に適切に接続されてもよい。サイクルデータ及び他のデータを保存するために1つより多い数のメモリ装置が存在してもよい。

開示される実施の形態に関する他の変形例は、明細書、図面及び特許請求の範囲を参照することで請求項に係る発明を実施する当業者により理解され達成されることが可能である。特許請求の範囲において、「有する(comprising)」は言及しているもの以外の他の要素やステップを排除するものではなく、「或る」又は「ある」という不定冠詞は複数存在することを排除しない。1つのプロセッサ又はその他の装置は特許請求の範囲で言及されている他の項目の機能を発揮してもよい。ある要素が互いに異なる従属請求項で言及されているというだけでそれらの要素が他の要素と有利に結合できないことを意味するわけではない。特許請求の範囲に参照番号が存在する場合、それらは特許請求の範囲を限定するものではない。

国際公開第2009/138932号明細書

Claims (15)

1. 対象の周期的な生理学的な信号を処理する信号処理装置であって、
   前記信号のサイクルを検出するサイクル検出部と、
   前記サイクルのうち選択された部分のエネルギと前記サイクルの総エネルギとの比率を示す特徴値を判定する分析部と、
   判定した前記特徴値に基づいて前記サイクルを破棄又は保存する選択部と、
   保存したサイクルを連結し、ユーザに出力する連結信号を生成する連結部と
   を有する信号処理装置。
2. 前記生理学的な信号が対象の心拍を表す、請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記生理学的な信号が対象の心拍の音を表す、請求項２に記載の信号処理装置。
4. 前記サイクル検出部が前記信号のピークに基づいてサイクルを検出するように形成される、請求項３に記載の信号処理装置。
5. 前記サイクル検出部が、前記対象の心電図信号に基づいてサイクルを検出する、請求項３に記載の信号処理装置。
6. 前記サイクルのうち選択された部分のエネルギが、ラブダブ音として識別可能な２つの部分のエネルギを示す、請求項１に記載の信号処理装置。
7. 前記分析部が、前記心電図信号に基づいて前記サイクルの時間的期間を決定する、請求項５に記載の信号処理装置。
8. 前記選択部が、１つ以上の基準に合致する判定された特徴値を有するサイクルを保存する、請求項１に記載の信号処理装置。
9. 前記選択部が、第１の特徴の値に基づいて選択されたサイクルを保存し、前記第１の特徴とは異なる第２の特徴についての１つ以上の基準に合致しないサイクルを破棄する、請求項８に記載の信号処理装置。
10. 前記第２の特徴についての基準が、保存されたサイクルに関して決定された統計的な量に基づいている、請求項９に記載の信号処理装置。
11. 視覚的なディスプレイ、オーディオトランスデューサ、ディジタルオーディオ信号を保存するメモリ装置及びプリンタのうちの少なくとも１つに前記連結信号を出力する出力部を更に有する、請求項１に記載の信号処理装置。
12. 周期的な生理学的な信号を処理してユーザに与える信号処理システムであって、
    周期的な生理学的な信号を与えるプローブと、
    前記信号のサイクルを検出する検出部と、
    前記サイクルのうち選択された部分のエネルギと前記サイクルの総エネルギとの比率を示す特徴値を判定する分析部と、
    判定した特徴値に基づいて前記サイクルを破棄又は保存する選択部と、
    保存したサイクルを連結し、連結信号を生成する連結部と
    前記連結信号をユーザに出力する出力部と
    を有する信号処理システム。
13. 前記出力部は、オーディオ出力装置、ビデオ表示装置、触覚出力装置及びプリンタを含む群のうちの１つ以上の出力装置により前記信号を出力する、請求項１２に記載の信号処理システム。
14. 周期的な生理学的な信号を処理する信号処理方法であって、
    前記信号のサイクルを検出する検出ステップと、
    前記サイクルのうち選択された部分のエネルギと前記サイクルの総エネルギとの比率を示す特徴値を判定する分析ステップと、
    判定した前記特徴値に基づいて前記サイクルを破棄又は保存する選択ステップと、
    保存したサイクルを連結し、ユーザに出力する連結信号を生成する連結ステップと
    を有する信号処理方法。
15. 前記周期的な生理学的な信号が対象の心拍を表す、請求項１４に記載の信号処理方法。

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