JPH039385Y2

JPH039385Y2 -

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Publication number: JPH039385Y2
Application number: JP1983050961U
Authority: JP
Priority date: 1983-04-06
Filing date: 1983-04-06
Publication date: 1991-03-08
Also published as: JPS59157332U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は心電図信号等生体信号の信号処理装置
に関する。

生体信号波形などのアナログ信号の自動解析を
行う方法として原信号をデイジタル変換して、デ
イジタル化された時系列信号に、平滑化操作や微
分操作を行い、時系列信号の雑音除去や、ピーク
検出、立ち上り時刻検出を行うことにより、原ア
ナログ信号の特徴抽出を行う方法が一般的であ
る。たとえば心電図信号の自動解析を行う場合に
は図１で示すような心電図波形のQRS棘波群の
うちＲ波を検出し、これを基に他のＰ，QRS、
Ｔ波などの立ち上り時刻及び終端時刻を検出し、
この区分点により、各棘波の形状（時間幅、振
幅）および棘波時間間隔などを計測して、心電図
を自動解析するためのパラメータとする手法が行
われている。これらの棘波の検出を行うために、
デイジタル変換された心電図信号に対してデイジ
タルフイルタリング処理を行う方法が利用されて
いた。一方解析対象とする生体信号には、一般に
体動や外部雑音により、高周波雑音が混入してお
り、解析精度を高くするためには、平滑化処理な
どが前処理として行われていた。これらに利用さ
れているデイジタルフイルタは、１次微分フイル
タ、２次微分フイルタ、平滑化フイルタが主であ
り、その演算はミニコンピユータや、マイクロコ
ンピユータのソフトウエアによつて実行されてい
たが高精度の乗除算処理を必要とするため処理時
間がかかり、原信号の特徴抽出を行う処理のうち
大半の時間をこのフイルタリング処理に費してい
た。

したがつて、本考案の目的は、前記心電図波形
の棘波群等のアナログ信号に対して一次微分信
号、二次微分信号及び平滑化信号等が同時刻のタ
イミングで位相遅れなく得られる信号処理装置を
提供することである。

本考案によれば、アナログ信号を予め定めたク
ロツクにてサンプリングしてデイジタル信号に変
換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器により
変換された時系列デイジタル信号を遅延して、第
１の信号を中心として時系列的に前後に等間隔で
ある第２と第３の信号を一対として予め定めた数
の対の信号を出力する遅延手段と、前記第１の信
号と、０又は１の値をとる第１の係数信号とを乗
算する第１の乗算手段と、前記第２の信号と、＋
１又は−１の値をとる第２の係数信号とを乗算す
る第２の乗算手段と、前記第３の信号と前記第２
の乗算手段の出力とを加算する第１の加算手段
と、前記第１の加算手段の出力と、前記第２又は
第３の信号の時間間隔に対応して０又は１の値を
とる第２の係数信号とを乗算する第３の乗算手段
とを有する基本回路を前記予め定めた数だけ設け
るとともに、これら基本回路の出力を加算する第
２の加算手段と、前記第１の乗算手段の出力と前
記第２の加算手段の出力とを加算する第３の加算
手段とを備えて成る信号処理装置が得られる。

次に、本考案を詳細に説明してゆく。低域微分
処理における理想周波数特性は式(1)で与えられ
る。

H〓⁽¹⁾（ω）＝０jω ｜ω｜≦απ απ＜｜ω｜＜π (1) ここでαπ（０＜α＜１）はカツトオフ周波数を
示し、サンプリング周期はＴ＝１と仮定してい
る。

この周波数特性を図２に示す。式(1)で表現され
た特性を非巡回対称型FIRフイルタで近似した場
合、その周波数特性は、式(2)で与えられる。

F⁽¹⁾（ω）＝_P 〓ⁿ⁼¹ _o sin nω (2) 式(2)を時間域で表現すると、１次微分フイルタ
リングの出力信号系列y_k ⁽¹⁾は式(3)の如く、入力信
号系列x_kの中心差分の線形和として表現される。

y_k ⁽¹⁾＝ｄ／２_P 〓ⁿ⁼¹ h_o（x_k+o−x_k-o） (3) ここで_o＝ｄ・h_o，ｄ＝１／_P 〓ⁿ⁼¹ （ｎ・h_o）Ｔ
を示す。式(3)において、ｄはスケールフアクタ
（定数）であつて、式(3)の差分演算には無関係で
あるので、実際の演算では考慮する必要がない。

さらに、式(3)において、h_oを“０”ないしは
“１”と設定すれば式(3)は、差分演算のみで、１
次微分特性が実現できることを示している。

次に平滑化処理における周波数特性を式(4)で表
現する。

F^(m)（ω）＝^(m) ₀＋２_P 〓ⁿ⁼¹ _n cos（nω） (4) 式(4)を時間域で表現すると、平滑化処理出力信
号y_k ^(m)は式５の如く、入力信号系列とx_kを中心と
した時間的に対称な信号系列の線形和として表現
される。

y_k ^(m)＝h₀ ^(m)x_k＋_P 〓ⁿ⁼¹ h_o ^(m)（x_k+o＋x_k-o） (5) ここで_o ^(m)＝ｄ・h_o ^(m)，ｄ＝１／_P 〓ⁿ⁼¹ h_o ^(m)を示
す。式(5)において、ｄはスケールフアクタ（定
数）であり、h_o ^(m)を“０”ないしは“１”とする
と、式(5)は、単純な線形和のみで平滑特性が実現
できることを示している。ここで、(3)の差分の頂
（x_k+o−x_k-o）に注目すると式(5)の線形和の項
（x_k+o＋x_k-o）は式(3)中の第２項の時系列信号
x_k-oの符号を変換し、演算が行われることに相当
している。これは式(5)に基づく平滑化操作が式(3)
で表わされる微分操作のうち、減算操作を加算操
作に置換しh₀に相当する項を加算することで実現
することを示している。この減算操作と加算操作
との選択を外部信号により切り換え選択できる構
成を図３に示す。

図３に示された演算方式に加算装置および信号
遅延装置を接続することで、式(3)および式(5)で示
された微分および平滑処理に併用できる信号処理
方式が実現できる。

本信号処理方式は、式(3)および式(5)により一般
的に式(6)で表現される。

y_k＝h₀x_k＋_P 〓ⁿ⁼¹ h_o（x_k+o＋ｊ・x_k-o） (6) ここでh_o h₀＝０ないしは１ｊ＝±１である。

式(6)に対応する構成を図４に示す。図で１は信
号遅延装置（シフトレジスタ）であり、デイジタ
ル化された原信号を遅延する装置である。２は(6)
式の右辺の演算を行う装置である。以下、これを
微分・平滑プロセツサを呼ぶことにする。この微
分平滑プロセツサが式(6)よりh₀〜h_pとｊの値によ
り、微分特性ないしは平滑特性を示すことにな
る。このプロセツサを木構造にカスケード接続
し、これにアナログ、デイジタル信号変換装置を
接続すると最終段では、原信号に対しては異なつ
た特性を持つフイルタリング出力信号が得られ、
しかも同一階層にある信号は、位相がすべて一致
している。図５は前述の木構造に配置したプロセ
ツサを示す図で、各微分・平滑プロセツサの特性
を適当に選択できることによりアナログ信号に関
する多種類の多段フイルタリング出力が得られる
ことを示している。

以上の説明した原理に基づき、アナログ・デイ
ジタル変換器の後方に、微分、平滑のプロセツサ
を３ケ、木構造にカスケード接続し、その前段に
心電図アナログ信号入力装置を接続して心電図信
号処理装置として使用した実施例を図６に示して
説明する。図６において、１１はアナログ信号増
幅装置で、生体から計測される微小電圧を信号解
析可能なレベル迄、増幅を行う。１２はＡ／Ｄ変
換装置で、増幅されたアナログ心電図信号を時系
列のデイジタル信号に変換する。１３，１４，１
５は前記微分・平滑プロセツサであり、外部から
の制御によつて目的に応じて入力されたデイジタ
ル信号を微分、ないしは平滑化する。１６，１
７，１８，１９は信号保持装置であり、一定時間
信号をホールドする。マルチプレクサ２０は、フ
イルタリング出力信号をクロツク発生装置２１か
らのクロツクに応じて、記憶装置２２，２３，２
４，２５へ分配する。

次に動作を説明すると、Ａ／Ｄの変換装置１２
によりデイジタル化された原信号X_Dは、微分プ
ロセツサ１４により１次微分操作がされ、信号
X_D′が出力される。この微分信号X_D′は実際の入
力信号より（ｐ＋１）クロツク遅れた信号X_D′に
対応するものである。次に平滑プロセツサ１５に
より、信号X_D′を平滑化した信号_D″が出力され
る。この信号_D″は、信号X_D′より（ｐ＋１）ク
ロツク遅れた信号X_D″に対応するものである。他
方、プロセツサ１４よりの微分出力信号X_D′はプ
ロセツサ１３によりさらに一次微分されて、２次
微分信号Ｘ¨_D″が出力される。これは、信号X′_Dよ
り（ｐ＋１）クロツク遅れたX_D″に対応する信号
である。すなわち、最終段では原デジタル信号
X_Dより２×（ｐ＋１）クロツク遅れた信号X_D″お
よびその平滑化信号_D″、１次微分信号X_D″２次
微分信号Ｘ¨_D″が同じ時刻関係で出力する。

ここで、１次微分信号X_D″は上述の如く、微分
出力信号X_D′を（ｐ＋１）クロツク遅らせた信号
である。

図６の実施例において、それぞれのフイルタリ
ング特性を持つ４つの出力信号は、演算を行う為
の構成が同一であることより、位相のずれを生じ
ない。しかも、これらのフイルタリング操作は、
加減算などの論理演痕のみで行われるため、原心
電図信号X_AをＡ／Ｄ変換するための信号サンプ
リングの時間に比べて極めて短い時間で処理可能
である。前記、各フイルタリング出力X_D″，
_Ｄ″，XX¨_D″，Ｘ¨_D″は、各々保持装置１６，１７，
１８，１９でホールドされ、マルチプレクサ２０
によつて、各フイルタリング出力信号格納用記憶
装置２２〜２５へ分配される。記憶装置２２，２
３，２４，２５に記憶された各フイルタリング出
力結果を利用して心電図波形の棘波検出、立ち上
り点検出、波形計測などが行われる。図７ａ，
ｂ，ｃに本実施例によつて得られたフイルタリン
グ出力信号のうち、原信号X_D″(a)、平滑化出力信
号_D″(b)、および２次微分出力信号Ｘ¨_D″(c)を示
す。

本考案によれば、１）公知のデイジタルフイル
タに比較して本プロセツサは、乗除算演算処理を
必要としないため、高速な信号処理が可能で、ア
ナログ信号のＡ／Ｄ変換完了とほぼ同時に、平滑
化出力信号１次微分出力、２次微分出力信号を得
ることが出来、信号解析時間が著しく改善され
る。２）本方式によつて位相差のない平滑化信
号、１次微分信号、２次微分信号が得られるの
で、アナログ信号析において必要な位相歪補正な
どの処理が不要になる。３）外部からのパラメー
タ設定を選択するだけで構成を変えずに多種類の
特性をもつ微分フイルタ、平滑化フイルタが実現
できるので、アナログ信号の品質に応じて適宜特
性を変化して最適フイルタを選択できる。４）本
プロセツサは、加減算、論理演算、シフトレジス
タのみで構成されるため、集積回路化が容易であ
り、心電図解析装置の様なアナログ信号処理装置
の小形化が計れる。

【図面の簡単な説明】

図１は心電信号の１例を示す図、図２は低減微
分処理における理想周波数特性を示す図、図３は
外部制御信号により加算と減算を切換えできる構
成例を示す図、図４は微分や平滑処理ができるプ
ロセツサの構成を示す図、図５は図４のプロセツ
サを木構造に配置した場合を示す図、図６は本考
案の一実施例を示す図。図７は本考案の動作を説
明するための波形図。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

アナログ信号を予め定めたクロツクにてサンプ
リングしてデイジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換
器と、前記Ａ／Ｄ変換器により変換された時系列
デイジタル信号を遅延して、第１の信号を中心と
して時系列的に前後に等間隔である第２と第３の
信号を一対として予め定めた数の対の信号を出力
する遅延手段と、前記第１の信号と、０又は１の
値をとる第１の係数信号とを乗算する第１の乗算
手段と、前記第２の信号と、＋１又は−１の値を
とる第２の係数信号とを乗算する第２の乗算手段
と、前記第３の信号と前記第２の乗算手段の出力
とを加算する第１の加算手段と、前記第１の加算
手段の出力と、前記第２又は第３の信号の時間間
隔に対応して０又は１の値をとる第２の係数信号
とを乗算する第３の乗算手段とを有する基本回路
を前記予め定めた数だけ設けるとともに、これら
基本回路の出力を加算する第２の加算手段と、前
記第１の乗算手段の出力と前記第２の加算手段の
出力とを加算する第３の加算手段とを備えて成る
ことを特徴とする信号処理装置。