JP6624508B2 - Electrocardiogram analyzer, electrocardiogram analysis method, and electrocardiograph - Google Patents
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Description
本発明は心電図解析装置、心電図解析方法、および心電計に関し、特には心電図信号から呼吸情報を抽出する技術に関する。 The present invention relates to an electrocardiogram analyzer, an electrocardiogram analysis method, and an electrocardiograph, and more particularly to a technique for extracting respiratory information from an electrocardiogram signal.
睡眠時無呼吸(低呼吸)症候群(Sleep Apnea (Hypopnea) Syndrome: SASまたはSAHS)は、睡眠の分断による過度の日中傾眠を伴い、睡眠時に10秒以上連続した無呼吸が5回/時間又は30回/7時間以上発生する疾患である。以下では便宜上、SASとSAHSを併せて単にSASと呼ぶ。 Sleep apnea (hypnea) syndrome (Sleep Apnea (Hypopnea) Syndrome: SAS or SAHS) is accompanied by excessive daytime somnolence due to disrupted sleep, and five or more consecutive apnea times of 10 seconds or more during sleep. The disease occurs more than 30 times / 7 hours. Hereinafter, for convenience, SAS and SAHS are simply referred to as SAS.
SASの診断には、口鼻呼吸、いびき、動脈血酸素飽和度(SpO2)、呼吸努力運動、脳波、眼球運動、頤筋筋電図、心電図、体位などの測定を終夜行う終夜睡眠ポリグラフ(Poly-Somno-Graphy:PSG)検査が必要である。しかしながら、終夜睡眠ポリグラフ検査は、通常、病院での宿泊を要し、またカニューレや多数の電極、センサ類を装着する必要があるため、被検者の負担が比較的大きい。そのため、終夜睡眠ポリグラフ検査を行う前に、より簡便なスクリーニング検査(簡易PSG検査)を行うことが多い。例えば特許文献1には、無呼吸及び低呼吸の有無、回数やSpO2値、いびき、呼吸努力運動といったスクリーニング検査に用いる睡眠時無呼吸検査装置が開示されている。
Diagnosis of SAS includes all-night sleep polygraph (Poly) that measures oral and nasal breathing, snoring, arterial blood oxygen saturation (SpO 2 ), respiratory effort, electroencephalogram, eye movement, intestinal myocardiogram, electrocardiogram, and body position all night. -Somno-Graphy (PSG) test is required. However, the polysomnography for overnight sleep usually requires staying in a hospital and requires wearing a cannula, a large number of electrodes, and sensors, so that the burden on the subject is relatively large. Therefore, a simpler screening test (simple PSG test) is often performed before performing an overnight polysomnography test. For example,
簡易PSG検査によって被検者の負担は軽減されるが、鼻や口付近に呼吸センサを装着して就寝するのは煩わしく、より負担の少ない方法が望まれている。 Although the burden on the subject is reduced by the simple PSG test, it is cumbersome to attach a respiratory sensor near the nose and mouth and go to bed, and a method with less burden is desired.
一方、無呼吸や低呼吸によって心拍数が変化することに着目して、心電図から無呼吸や低呼吸を検出する方法も検討されている(特許文献2)。特許文献2では、無呼吸や低呼吸の周期と同期して、心拍数が徐脈と頻脈を繰り返す周期性心拍変動パターン(CVHR:cyclic variation of heart rate)を検出している。心拍数は例えば心電図(ECG)のR波の間隔(R−R間隔)により得ることができるため、測定の負担が少ないホルタ心電図などを利用してCVHRを検出することができる。
On the other hand, a method of detecting apnea or hypopnea from an electrocardiogram has been studied, focusing on the fact that the heart rate changes due to apnea or hypopnea (Patent Document 2). In
しかしながら、心拍数の変化は必ずしも無呼吸や低呼吸によって生じるとは限らないため、心拍数が安定しない他の要因を有する被検者に対しては、CVHRを精度良く測定することは困難である。例えば、心房細動の患者はもともと心拍数が不安定であるため、仮にSASに罹患していても、心拍数の変動が心房細動によるものか、SASによるものかを心電図から判別することは困難である。 However, since the change in heart rate is not always caused by apnea or hypopnea, it is difficult to accurately measure CVHR for a subject having another factor in which the heart rate is unstable. . For example, since heart rate is unstable in patients with atrial fibrillation, even if they are suffering from SAS, it is not possible to determine from ECG whether heart rate fluctuations are due to atrial fibrillation or SAS. Have difficulty.
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、被検者の呼吸情報を心電図信号から精度良く取得することが可能な心電図解析装置、心電図解析方法、および心電計の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of such problems of the related art, and an electrocardiogram analyzer, an electrocardiogram analysis method, and an electrocardiograph capable of accurately acquiring respiratory information of a subject from an electrocardiogram signal. For the purpose of providing.
上述の目的は、誘導方向の異なる第1の心電図信号および第2の心電図信号を取得する取得手段と、第1の心電図信号から、第2の心電図信号の推定信号を生成する推定手段と、第2の心電図信号と、推定手段が生成した推定信号との差信号を生成する減算手段と、差信号の低周波成分を呼吸努力に関する信号として抽出する抽出手段と、を有することを特徴とする心電図解析装置によって達成される。 The above-mentioned object is to provide an acquisition unit that acquires a first electrocardiogram signal and a second electrocardiogram signal having different lead directions, an estimation unit that generates an estimation signal of a second electrocardiogram signal from the first electrocardiogram signal, 2. An electrocardiogram, comprising: subtraction means for generating a difference signal between the electrocardiogram signal of No. 2 and the estimation signal generated by the estimation means; and extraction means for extracting a low-frequency component of the difference signal as a signal related to respiratory effort. Achieved by the analyzer.
このような構成により、本発明によれば、被検者の呼吸情報を心電図信号から精度良く取得することが可能な心電図解析装置、心電図解析方法、および心電計を提供できる。 With such a configuration, according to the present invention, it is possible to provide an electrocardiogram analyzer, an electrocardiogram analysis method, and an electrocardiograph that can accurately acquire respiratory information of a subject from an electrocardiogram signal.
以下、図面を参照して本発明をその例示的な実施形態に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る心電図解析装置の一例としての、ホルタ心電計100の機能構成例を示すブロック図である。なお、本実施形態の心電図解析装置は、心電図信号(誘導信号)を被検者から取得するための構成を有しているが、本発明において心電図信号を被検者から取得するための構成は必須でない。本発明に係る心電図解析装置は、予め測定された心電図データを、直接またはネットワークを介して接続された記憶装置や記憶媒体から取得するなど、任意の方法で取得可能であればよい。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on exemplary embodiments with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating a functional configuration example of a Holter
図1において、CPU1はROM2に格納されている制御プログラムをRAM3に読み出して実行することにより、後述する心電図解析処理を始めとした、ホルタ心電計100の各種機能を実現する。ROM2はCPU1が実行するプログラムや、メニュー画面などを表示するためのGUIデータ、ユーザ設定データ、初期設定データなど、処理に必要なパラメータ等を記憶する不揮発性メモリであり、少なくとも一部が書き換え可能であってよい。RAM3はCPU1が実行するプログラムを展開する領域や、変数やデータ等の一時記憶領域として用いられる。メモリカード4は生体電極から入力される心電図信号や、別の生体電気信号やデータをデジタルデータの形式で記憶する記憶装置である。メモリカード4は、カードスロット5に対して着脱可能に装着される。
In FIG. 1, a
表示部6は例えば液晶表示装置である。操作部8は電源のオン、オフや測定の開始、停止、各種イベント入力などを行ったり、各種の設定を行なったりするためのスイッチ、ボタンなどからなる。操作部8は表示部6に設けられたタッチパネルを含んでもよい。
The display unit 6 is, for example, a liquid crystal display device. The
また、アナログ−デジタル変換器(A/D変換器)9は心電図電極12から入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。センサ用I/F10は、心電図電極12からの心電図信号(誘導信号)を取得するためのインターフェースである。なお、センサ用I/F10は心電図電極12以外にも、SpO2(動脈血酸素飽和度)センサや血圧・脈波測定用のカフなどを接続可能であってもよい。
通信インターフェース20は例えばホストコンピュータやプリンタ等の外部機器40と通信を行うための通信インターフェースであり、有線および/または無線通信規格に準拠した構成を有する。
The analog-digital converter (A / D converter) 9 converts an analog signal input from the
The
このような構成を有するホルタ心電計100を用いて心電図信号(誘導信号)の取得及び記録を行う場合、被検者の体表面の所定の位置に心電図電極12の遠端に設けられた複数の電極パッドを取り付け、心電図電極12の近端に設けられたコネクタをセンサ用I/F10のコネクタに接続する。
When acquiring and recording an electrocardiogram signal (leading signal) using the Holter
本発明においては、心電図信号から呼吸信号を検出するため、呼吸努力に伴う胸部や腹部の筋肉の活動電位変化の影響の受けやすさの異なる、複数の誘導方向の心電図信号を用いる。典型的には、誘導方向が互いに直交する2方向を含むような誘導法を用いて測定する。 In the present invention, in order to detect a respiratory signal from an electrocardiographic signal, electrocardiographic signals in a plurality of lead directions, which are different in the susceptibility to action potential changes in the chest and abdominal muscles due to respiratory effort, are used. Typically, the measurement is performed using a guidance method in which the guidance directions include two directions orthogonal to each other.
具体的には、左右(X軸)、上下(Y軸)、および前後(Z軸)方向の誘導方向のうち、少なくともX軸方向の誘導(X誘導)を含む、2つ以上の異なる誘導方向で測定することが好ましい。これは、呼吸努力による胸部や腹部の運動に起因する信号が、X軸方向の誘導に多く含まれると考えられるからである。 More specifically, two or more different guiding directions including at least the guiding in the X-axis direction (X-leading) among the guiding directions in the left-right (X-axis), up-down (Y-axis), and front-back (Z-axis) directions. It is preferable to measure with. This is because it is considered that many signals caused by the chest and abdominal movements due to respiratory effort are included in the guidance in the X-axis direction.
例えば、X誘導(CM5,mCM5,CC5)、Y誘導(NASA,双極aVF,CMf)、Z誘導(NASA,mV1,CM2,CB2,双極V3)の中から、X誘導と、他の誘導を選択することができる。また、標準12誘導や、ベクトル心電図誘導法(例えばFrank誘導法)を用いることもできる。2チャンネルの心電図信号を測定する場合、X軸方向の誘導とY軸方向の誘導の組み合わせとして、例えばCC5とNASA誘導の組み合わせを好適に用いることができる。 For example, the X lead and other leads are selected from the X lead (CM5, mCM5, CC5), the Y lead (NASA, bipolar aVF, CMf), and the Z lead (NASA, mV1, CM2, CB2, bipolar V3). can do. Further, a standard 12 lead or a vector electrocardiogram lead method (for example, a Frank lead method) can be used. When measuring an electrocardiogram signal of two channels, for example, a combination of CC5 and NASA lead can be suitably used as a combination of the lead in the X-axis direction and the lead in the Y-axis direction.
例えば操作部8の操作によって電源が投入されると、CPU1は初期化処理など、心電図信号の取得を開始する前のタイミングで、心電図信号を取得するための動作モードの設定処理を行ことができる。また、CPU1は必要に応じて、心電図信号の記録動作の開始前に、日時や、被検者を特定可能な情報(例えば患者IDなど)を、ユーザに設定させるための入力画面などを表示してもよい。
For example, when the power is turned on by operating the
そして、例えば操作部8からの記録開始指示の入力や、電源投入時からの所定時間経過などに応じて、CPU1は心電図の記録動作を開始する。なお、心電図信号の取得自体は、記録開始指示より前に実行されてよい。例えば、表示部6に現在の動作モードに応じた波形表示を行うことで、動作モードの設定が正しく行われているかどうかを波形表示からユーザが確認することを可能にする。
Then, the
心電図信号はA/D変換器9により所定のサンプリングレート(例えば125Hz〜数KHz)でサンプリングされ、デジタル信号の形式でメモリカード4や外部機器40に記録される。なお、心電図信号の測定ならびに記録動作は本発明と直接関係がなく、また従来と同様であってよいため、これ以上の説明は省略する。
The electrocardiogram signal is sampled at a predetermined sampling rate (for example, 125 Hz to several KHz) by the A /
(心電図信号の解析処理)
次に、誘導方向の異なる2つの心電図信号を解析して、呼吸努力に伴う胸部や腹部の動きを示す信号(以下、呼吸信号という)を呼吸情報として検出する方法に関して説明する。図2は、本実施形態に係る心電図解析処理を模式的に示したブロック図である。
(Electrocardiogram signal analysis processing)
Next, a method of analyzing two electrocardiogram signals having different lead directions and detecting a signal indicating the movement of the chest and abdomen accompanying the respiratory effort (hereinafter, referred to as a respiration signal) as respiration information will be described. FIG. 2 is a block diagram schematically illustrating an electrocardiogram analysis process according to the present embodiment.
解析部300は、2チャンネルの心電図信号EC1,EC2から呼吸信号を抽出して出力する。解析部300が有する各機能ブロック(後述)はソフトウェア、ハードウェア、あるいは両者の組み合わせによって実現することができる。ソフトウェアによって実現する部分は例えばCPU1がプログラムを実行することによって実施可能である。
The
解析部300において、必要に応じて設けられるローパスフィルタ305および306は、心電図信号に含まれる不連続点(例えばR波)に存在する高周波成分を抑制することにより、後述する推定信号の低周波成分の推定精度を向上させる。ローパスフィルタ305および306のカットオフ周波数は例えば数Hz程度に設定することができる。
In the
推定信号生成部310は、推定モデルを用いて、一方の心電図信号(ここではch1の心電図信号EC1)から、他方の心電図信号(ここではch2の心電図信号EC2)の推定信号(ここではch2の心電図信号EC2の推定信号^EC2)を生成する。なお、ローパスフィルタ305および306が設けられる場合には、推定信号生成部310に入力するch1の心電図信号EC1はフィルタ処理後の信号であるため、ch2の心電図信号EC2の推定信号^EC2もローパスフィルタ306が適用された後の心電図信号EC2に相当する。減算器320は、実測された心電図信号EC2と、推定信号^EC2との差信号を生成する。呼吸信号抽出フィルタ330は、差信号からR波成分やバイアス誤差を除去するとともに、(呼吸信号成分に影響を与えない程度の)平滑化処理を行い、呼吸信号を抽出する。呼吸信号抽出フィルタ330は、例えばR波成分を除去するためのメジアンフィルタと、呼吸成分を通過させるバンドパスフィルタとの組み合わせによって実現できるが、他の組み合わせを用いてもよい。
The estimation
呼吸信号と実測された心電図信号EC2との差信号が減算器340で生成され、推定誤差信号として推定信号生成部310にフィードバックされる。推定信号生成部310は、推定誤差信号が小さくなるように、推定モデルのパラメータを例えば最小二乗法(Least Mean Square:LMS)、正規化最小二乗法(正規化LMS:Normalized LMS)、予測誤差法などを用いて推定し、更新する。
Difference signal between the electrocardiogram signal E C2, which is measured with the respiratory signal is generated by the
ここで、推定信号生成部310について説明する。推定信号生成部310は、一方の心電図信号を入力とし、他方の心電図信号の推定信号を出力するシステムに推定モデルを適用し、推定モデルのパラメータを推定することによってシステムを同定し、推定信号^EC2を生成する。本実施形態で推定信号生成部310は、推定モデルとして多項式モデルを用いる。
Here, the estimation
心電図電極12を通じて測定される心電図信号EC1,EC2は、心臓の活動電位が体表面に伝達した信号である。そのため、心臓近傍における心電図信号EC0が、胸部モデルを通じて観測された信号であると考えることができる。ここでは、第1チャンネル(ch1)の心電図信号(第1の心電図信号)EC1が胸部モデル1 210を通じて観測され、第2チャンネル(ch2)の心電図信号(第2の心電図信号)EC2が胸部モデル2 220を通じて観測された信号であるとする。誘導方向が異なるため、チャンネルごとに異なる胸部モデルを想定している。
The electrocardiogram signals E C1 and E C2 measured through the
また、一方の心電図信号(ここではch2の心電図信号EC2)に、呼吸努力による胸部や腹部の運動に起因する信号(呼吸信号)が加算器230によって重畳されるものとする。なお、呼吸信号は両方の心電図信号に重畳しうるが、誘導方向が異なることにより、心電図信号に重畳する呼吸信号の強度には差が生じる。そのため、便宜上、呼吸信号の重畳が多い方の心電図信号についてのみ呼吸信号(呼吸による外乱)が重畳するものとしている。
It is also assumed that a signal (respiratory signal) resulting from the movement of the chest and abdomen due to respiratory effort is superimposed on one electrocardiogram signal (here, the electrocardiogram signal E C2 of ch2) by the
このような前提に基づくと、測定される心電図信号EC1,EC2は以下の様に表すことができる。
EC1=S1EC0 (1)
EC2=S2EC0+rs (2)
ここで、rsは呼吸信号である。さらに、式(2)からEC0を除去すると、
EC2=(S2/S1)EC1+rs (3)
となる。
従って、係数S2/S1を表す推定モデルのパラメータを推定することで、呼吸信号の含まれないEC2の推定信号^EC2を得ることができる。
Based on such a premise, the measured electrocardiogram signals E C1 and E C2 can be expressed as follows.
E C1 = S1E C0 (1)
E C2 = S2E C0 + rs (2)
Here, rs is a respiration signal. Further, when E C0 is removed from equation (2),
E C2 = (S2 / S1) E C1 + rs (3)
It becomes.
Therefore, to estimate the parameters of the estimation model representing the coefficients S2 / S1, can be obtained estimation signal ^ E C2 of E C2 does not contain the respiration signal.
この推定信号^EC2と、実測されたEC2との差信号は、EC2に含まれる心電図信号以外の成分、すなわち呼吸信号rsの成分を多く含んだ信号である。そのため、差信号から、R波の成分やバイアス誤差などを除去することにより得られる信号を呼吸信号^rsとして抽出することができる。 The difference signal between the estimated signal ^ E C2 and the actually measured E C2 is a signal that includes many components other than the electrocardiogram signal included in E C2 , that is, many components of the respiration signal rs. Therefore, a signal obtained by removing an R-wave component, a bias error, and the like from the difference signal can be extracted as the respiration signal ^ rs.
なお、式(1)および(2)において、EC2からEC1を推定した場合、呼吸 EC1=(S1/S2)(EC2−rs) (3)'
となる。この場合、係数S1/S2を表す推定モデルのパラメータを推定することにより、推定信号^EC1と、実測されたEC1との差信号は(S1/S2)rsとなる。この場合、呼吸信号rsを直接得ることはできないが、呼吸信号rsを含んだ差信号が得られるため、呼吸信号を抽出できる。従って、計測された2つの心電図信号のどちらを推定信号生成部310に入力しても、呼吸波形を抽出することができる。
In Equations (1) and (2), when E C1 is estimated from E C2 , the respiration E C1 = (S1 / S2) (E C2 −rs) (3) ′
It becomes. In this case, by estimating the parameters of the estimation model representing the coefficients S1 / S2, the difference signal between the estimated signal ΔE C1 and the actually measured E C1 becomes (S1 / S2) rs. In this case, the respiratory signal rs cannot be directly obtained, but a difference signal including the respiratory signal rs can be obtained, so that the respiratory signal can be extracted. Therefore, no matter which of the two measured electrocardiogram signals is input to the
図3に、推定信号生成部310が推定モデルとして用いることのできる多項式モデルの例として、ARX(Auto Regressive with eXogenous)多項式モデル、OE(Output-Error)多項式モデル、BJ(Box-Jenkins)多項式モデルを示す。各モデルにおいて、u(k)が入力信号(EC1)、y(k)が出力信号(^EC2)、ω(k)がノイズ成分を示す。
FIG. 3 shows an example of a polynomial model that can be used as an estimation model by the estimation
なお、胸部モデルS1,S2がそれぞれLCR回路で表されるとすると、胸部モデルの伝達関数は双2次フィルタ(biquad filter)で表すことができる。従って、各モデルの次数は2を基本とし、心電図信号が含む高周波成分などに応じて調整することができる。 If the chest models S1 and S2 are each represented by an LCR circuit, the transfer function of the chest model can be represented by a biquad filter. Therefore, the order of each model is basically 2, and can be adjusted according to the high frequency component included in the electrocardiogram signal.
図4のフローチャートを参照して、本実施形態のホルタ心電計100による心電図信号の解析処理動作について説明する。解析処理は心電図信号の記録時に実施してもよいし、記録済みの心電図信号に対して実施してもよい。また、上述したように、ホルタ心電計100のような測定装置とは別の、測定機能を持たない装置で実施してもよい。以下では、予めROM2に記憶された心電図信号の解析プログラムをRAM3に展開してCPU1が実行することによって解析処理を実行するものとするが、解析処理の少なくとも一部がASIC等の専用ハードウェアによって実現されてもよい。
With reference to the flowchart of FIG. 4, an operation of analyzing an electrocardiogram signal by the Holter monitor 100 of the present embodiment will be described. The analysis process may be performed at the time of recording the electrocardiogram signal, or may be performed on the recorded electrocardiogram signal. Further, as described above, the measurement may be performed by a device having no measurement function, such as the Holter monitor 100, which is different from the measurement device. In the following, it is assumed that an analysis process of an electrocardiogram signal stored in the
S101でCPU1は、メモリカード4もしくは通信可能に接続された外部機器40から、解析対象の心電図信号を取得する。取得する心電図信号は、上述の通り、少なくとも2つの、互いに異なる方向における心起電力の変化を表す心電図信号である。ここでは典型例として、Y誘導を第1の心電図信号EC1として、またX誘導を第2の心電図信号EC2として取得するものとする。
In S101, the
なお、S101で取得する複数の心電図信号は同時に測定された信号であり、測定期間の一部の心電図信号を取得する場合も、同じ測定期間についての心電図信号を取得する。CPU1は読み出した心電図信号をRAM3に記憶する。SASのスクリーニングを行う場合のように解析区間が長時間にわたる場合、S101では所定時間分ずつ心電図信号を取得する。
Note that the plurality of electrocardiogram signals acquired in S101 are signals measured at the same time, and even when acquiring a part of the electrocardiogram signal in the measurement period, the electrocardiogram signal for the same measurement period is acquired. The
次にS103でCPU1は、RAM3に記憶されている第1の心電図信号EC1のサンプル列に対し、必要に応じてローパスフィルタ処理を適用してから推定信号生成部310に入力して推定モデルの同定を開始するとともに、第2の心電図信号EC2のサンプル列を減算器320に入力する。ここでは、推定モデルのパラメータ推定を、新たなサンプルが入力される都度行う(オンライン同定)するものとする。推定信号生成部310によって第2の心電図信号EC2の推定信号^EC2のサンプルが順次生成され、減算器320に出力される。
Next, in
S105で減算器320は実測された第2の心電図信号EC2から、推定信号生成部310が出力する推定信号^EC2を減じて差信号を生成し、呼吸信号抽出フィルタ330に出力する。なお、CPU1は、第1の心電図信号EC1のサンプル列が推定信号生成部310に入力される前にローパスフィルタ処理を適用されている場合には、第2の心電図信号EC2のサンプル列についても減算器320に入力する前に第1の心電図信号EC1に適用したのと同様のローパスフィルタ処理を適用する。
In S105, the
S107で呼吸信号抽出フィルタ330は、差信号から呼吸信号^rsを抽出して出力する。
In S107, the respiration
以下、解析対象区間について、第1および第2の心電図信号EC1,EC2のサンプルについて順次S101〜S107の処理を繰り返し実行する。学習期間を設けずに推定モデルのパラメータを推定する場合、解析処理の開始直後は推定信号^EC2と実測された第2の心電図信号EC2との整合性は高くないが、時間の経過と共に推定モデルのパラメータが最適化され、整合性が向上していく。 Hereinafter, in the analysis target section, the processing of S101 to S107 is sequentially and repeatedly performed for the samples of the first and second electrocardiogram signals E C1 and E C2 . When estimating the parameters of the estimation model without providing a learning period, immediately after the start of the analysis processing, the consistency between the estimated signal ΔE C2 and the actually measured second electrocardiogram signal E C2 is not high, but as time elapses, The parameters of the estimation model are optimized, and the consistency is improved.
推定信号生成部310で推定モデルをオフライン同定する場合、予め定めた数の連続するサンプル群を用いて推定信号を生成する処理を、重複しない所定の一定期間(データ窓)に含まれるサンプル群ごとに順次実行する。例えば、1つ目のデータ窓に含まれるサンプル群を用いて対応区間の推定信号を生成したら、次のデータ窓に含まれるサンプル群を用いて次の区間の推定信号を生成する処理を繰り返し行う。データ窓の長さは例えば60〜90秒程度とすることができる。
When the estimation model is identified off-line by the estimation
CPU1は、呼吸信号抽出フィルタ330が抽出した呼吸信号^rsをRAM3に保存した後、メモリカード4に記録したり、外部装置40に送信したりする。あるいは、CPU1は、呼吸信号^rsを用いて無呼吸や低呼吸の検出を並行して実行してもよい。なお、無呼吸や低呼吸の検出には、同じ解析対象区間に測定された他の信号(SpO2)を必要に応じて用いてもよい。
The
(実施例)
予め記録された、CC5誘導とNASA誘導(サンプリングレート125Hz)の心電図信号を用い、上述の方法で呼吸信号^rsを得るまでの実例を、図5〜図8を用いて説明する。図5および図6は健常者(心拍数が変動する疾患のない被検者)についての実施例1を、図7および図8は心房細動の患者についての実施例2を示している。
(Example)
An example of using a previously recorded electrocardiogram signal of the CC5 lead and the NASA lead (sampling rate of 125 Hz) until the respiration signal ^ rs is obtained by the above-described method will be described with reference to FIGS. 5 and 6 show Example 1 for a healthy person (a subject without a disease in which the heart rate fluctuates), and FIGS. 7 and 8 show Example 2 for a patient with atrial fibrillation.
図5〜図8において、ecg1およびecg2は実測された心電図信号を示し、ecg1をNASA誘導、ecg2をCC5誘導とした。 5 to 8, ecg1 and ecg2 indicate the measured electrocardiogram signals, ecg1 is the NASA lead, and ecg2 is the CC5 lead.
また、ecg1(filtered)およびecg2(filtered)は、ecg1およびecg2にカットオフ周波数4Hzのローパスフィルタ(図2のローパスフィルタ305、306に相当)を適用した心電図信号である。ecg2()はecg1(filtered)から推定したecg2(filtered)信号、err()は減算器320で得られる差信号、filtered()は差信号に呼吸信号抽出フィルタ330を適用して抽出した呼吸信号^rsである。
呼吸信号抽出フィルタ330は、残っているR波成分を除去するためのメジアンフィルタ (タップ数80サンプル(0.64秒))と、呼吸成分を残す程度の平滑化フィルタ(前後150サンプル(2.4秒)と、バイアス誤差を取り除くハイパスフィルタ(カットオフ周波数:0.08Hz)との組み合わせとした。
Ecg1 (filtered) and ecg2 (filtered) are electrocardiogram signals obtained by applying a low-pass filter with a cutoff frequency of 4 Hz (corresponding to the low-
The respiratory
また、respは、本実施形態による方法を評価するために、胸部に装着した努力呼吸センサで測定した呼吸信号を示している。なお、respとの比較を容易にするため、呼吸信号抽出フィルタ330の出力に−1を乗じたものを^rsとして図示している。
Resp indicates a respiratory signal measured by a forced respiration sensor attached to the chest to evaluate the method according to the present embodiment. Note that, in order to facilitate comparison with resp, the output of the respiration
()内のARX、OE、rOE、BJはそれぞれ、推定信号生成部310で用いた推定モデルの種類を示している。なお、rOE以外はデータ窓の長さを90秒としたオフライン同定、rOEはオンライン同定を行った。同定に関する詳細は以下の通りである。
(次数)
ARX(実施例1) Ay=Buのとき A:7次,B:10次
ARX(実施例2) Ay=Buのとき A:10次,B:10次
OE y=B/Fu+eのとき B:2次,F:2次
rOE B:2次,F:2次
BJ y=B/Fu+C/Deのとき B:2次,F:3次,C,D:5次
ARXモデル以外は実施例1,2とも同じ次数である。
(パラメータの同定法)
ARX:最小2乗法
OE :予測誤差法
rOE:正規化LMS法
BJ :予測誤差法
ステップサイズ:2.0e−4
なお、ステップサイズの大きさは、パラメータの変化が拍動の影響を受けない程度の値として設定した一例である。
ARX, OE, rOE, and BJ in parentheses indicate the types of estimation models used in the estimation
(Order)
ARX (Example 1) When Ay = Bu A: 7th order, B: 10th order ARX (Example 2) When Ay = Bu A: 10th order, B: 10th order OE When y = B / Fu + e B: Second order, F: Second order rOE B: Second order, F: Second order BJ When y = B / Fu + C / De B: Second order, F: Third order, C, D: Fifth order Example 1 except for the ARX model , 2 have the same order.
(Parameter identification method)
ARX: Least squares method OE: Prediction error method rOE: Normalized LMS method BJ: Prediction error method Step size: 2.0e -4
The size of the step size is an example in which a change in the parameter is set to a value that is not affected by the pulsation.
本実施形態の方法で得られた呼吸信号filtered()においても、努力呼吸センサで測定した呼吸信号respに類似した波形が得られていることが分かる。例えば健常者の例である図5〜図6における呼吸信号respの30〜40秒付近の区間に、無呼吸と思われる事象が現れているが、呼吸信号filtered()にも同様の事象が現れている。 It can be seen that also in the respiratory signal filtered () obtained by the method of the present embodiment, a waveform similar to the respiratory signal resp measured by the forced respiration sensor is obtained. For example, an event that seems to be apnea appears in a section around 30 to 40 seconds of the respiratory signal resp in FIGS. 5 to 6 which is an example of a healthy person, and a similar event also appears in the respiratory signal filtered (). ing.
なお、推定モデルにより呼吸信号filtered()とrespとの相関には差が見られ、複数の例による統計的な評価を行った結果、相関の高い順からOE、rOE、BJ、ARXの順であった。OEおよびrOEモデルを用いて得られた推定信号の精度が良好であったのは、EC2=(S2/S1)EC1+rsという関係と推定モデルとがうまく対応したことによるものと思われる。 Note that there is a difference in the correlation between the respiratory signal filtered () and resp according to the estimation model. As a result of performing statistical evaluation by a plurality of examples, OE, rOE, BJ, and ARX are arranged in descending order of correlation. there were. The good accuracy of the estimated signal obtained using the OE and rOE models is considered to be due to the good correspondence between the relationship E C2 = (S2 / S1) E C1 + rs and the estimation model.
さらに、図7〜図8に示したように、推定元となる心電図信号と、推定される心電図信号との関係を逆転させても、また、心房細動の患者の心電図信号であっても、良好な呼吸信号が得られた。 Further, as shown in FIGS. 7 and 8, even if the relationship between the ECG signal as the estimation source and the estimated ECG signal is reversed, or the ECG signal of the patient with atrial fibrillation, A good respiratory signal was obtained.
以上説明したように本実施形態によれば、誘導方向の異なる2つの心電図信号の一方から他方の推定信号を生成し、実測された心電図信号と推定信号との差信号の低周波成分を努力呼吸に関する信号(呼吸信号)として抽出する。そのため、心拍数の変動に依存せずに呼吸信号を得ることができ、心房細動の患者のように心拍数が変動する患者についても心電図信号からSASのスクリーニングを行うことが可能になる。 As described above, according to the present embodiment, one of two electrocardiogram signals having different lead directions is used to generate the other estimated signal, and the low-frequency component of the difference signal between the actually measured electrocardiogram signal and the estimated signal is subjected to forced breathing. Extracted as a signal (respiration signal) for Therefore, a respiratory signal can be obtained without depending on the fluctuation of the heart rate, and it becomes possible to screen the SAS from the electrocardiogram signal even for a patient whose heart rate fluctuates, such as a patient with atrial fibrillation.
また、誘導方向の異なる心電図信号は、一般的な心電図の測定にも使用できる誘導法で得られる心電図信号から抽出することができるため、ホルタ心電計による心電図の測定結果などをSASのスクリーニング検査に利用することが可能である。従って、被検者の負担も従来の簡易PSGと比較して大幅に軽減できる。 In addition, since the electrocardiogram signals having different lead directions can be extracted from the electrocardiogram signals obtained by the lead method which can be used for general electrocardiogram measurement, the results of the electrocardiogram measurement by the Holter electrocardiograph and the like are used for the SAS screening test. It is possible to use it. Therefore, the burden on the subject can be significantly reduced as compared with the conventional simple PSG.
なお、本発明に係る心電図解析装置は、一般的に入手可能な、パーソナルコンピュータのような汎用情報処理装置に、上述した動作を実行させるプログラム(アプリケーションソフトウェア)として実現することもできる。従って、このようなプログラムおよび、プログラムを格納した記憶媒体(CD−ROM、DVD−ROM等の光学記録媒体や、磁気ディスクのような磁気記録媒体、半導体メモリカードなど)もまた本発明を構成する。 Note that the electrocardiogram analyzer according to the present invention can also be realized as a program (application software) that causes a generally available general-purpose information processing device such as a personal computer to execute the above-described operation. Therefore, such a program and a storage medium storing the program (an optical recording medium such as a CD-ROM, a DVD-ROM, a magnetic recording medium such as a magnetic disk, a semiconductor memory card, etc.) also constitute the present invention. .
Claims (8)
前記第1の心電図信号から、前記第2の心電図信号の推定信号を生成する推定手段と、
前記第2の心電図信号と、前記推定手段が生成した推定信号との差信号を生成する減算手段と、
前記差信号の低周波成分を呼吸努力に関する信号として抽出する抽出手段と、
を有することを特徴とする心電図解析装置。 Acquisition means for acquiring a first electrocardiogram signal and a second electrocardiogram signal having different lead directions;
Estimating means for generating an estimated signal of the second ECG signal from the first ECG signal;
Subtraction means for generating a difference signal between the second electrocardiogram signal and the estimation signal generated by the estimation means;
Extracting means for extracting a low-frequency component of the difference signal as a signal related to respiratory effort,
An electrocardiogram analyzer, comprising:
測定された前記第1の心電図信号および前記第2の心電図信号を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記第1の心電図信号および前記第2の心電図信号を解析する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の心電図解析装置と、
を有することを特徴とする心電計。 Measuring means for measuring a first electrocardiogram signal and a second electrocardiogram signal having different lead directions using an electrode mounted on the subject;
Storage means for storing the measured first ECG signal and the second ECG signal;
The electrocardiogram analyzer according to any one of claims 1 to 5, which analyzes the first electrocardiogram signal and the second electrocardiogram signal stored in the storage unit.
An electrocardiograph characterized by having:
前記第1の心電図信号から、前記第2の心電図信号の推定信号を生成する推定工程と、
前記第2の心電図信号と、前記推定工程で生成された推定信号との差信号を生成する減算工程と、
前記差信号の低周波成分を呼吸努力に関する信号として抽出する抽出工程と、
を有することを特徴とする心電図解析方法。 An acquisition step of acquiring a first electrocardiogram signal and a second electrocardiogram signal having different lead directions;
An estimation step of generating an estimation signal of the second electrocardiogram signal from the first electrocardiogram signal;
A subtraction step of generating a difference signal between the second electrocardiogram signal and the estimation signal generated in the estimation step;
Extracting a low frequency component of the difference signal as a signal related to respiratory effort,
An electrocardiogram analysis method, comprising:
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