JP2014124345A - Biosignal processor and biosignal processing method - Google Patents
Biosignal processor and biosignal processing method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014124345A JP2014124345A JP2012283427A JP2012283427A JP2014124345A JP 2014124345 A JP2014124345 A JP 2014124345A JP 2012283427 A JP2012283427 A JP 2012283427A JP 2012283427 A JP2012283427 A JP 2012283427A JP 2014124345 A JP2014124345 A JP 2014124345A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- biological signal
- sampling
- points
- frequency
- data
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
Abstract
【課題】サンプリングデータからスプライン補間によって元の生体信号を復元する場合に、精度良く元の生体信号を復元する生体信号処理装置および生体信号処理方法を提供する。
【解決手段】生体信号解析システムは、生体から生体信号を検出する検出部と、生体信号から所定値以上の高周波成分を除去して、生体信号を帯域圧縮する圧縮部52と、圧縮された生体信号から、所定のサンプリング周波数により標本点を取得し、複数の標本点から構成されるサンプリングデータを生成するサンプリング部53と、スプライン補間により標本点間に複数の補間点を追加して、サンプリングデータから、より高い時間分解能の生体信号データを復元するアップサンプリング部(62、63)と、を有する。
【選択図】図4Provided are a biological signal processing apparatus and a biological signal processing method for accurately restoring an original biological signal when restoring the original biological signal from sampling data by spline interpolation.
A biological signal analysis system includes a detection unit that detects a biological signal from a living body, a compression unit 52 that band-compresses the biological signal by removing a high-frequency component of a predetermined value or more from the biological signal, and a compressed biological body. A sampling unit 53 that acquires sampling points from a signal at a predetermined sampling frequency and generates sampling data composed of a plurality of sampling points, and a plurality of interpolation points are added between the sampling points by spline interpolation. And up-sampling units (62, 63) for restoring biological signal data with higher temporal resolution.
[Selection] Figure 4
Description
本発明は、生体信号処理装置および生体信号処理方法に関する。 The present invention relates to a biological signal processing apparatus and a biological signal processing method.
従来から、ホルター心電計など、患者に装着して生体信号を記録する機器がある。このような機器は、長時間にわたり生体信号を記録し続けるため、記録するデータ量が膨大になる。 Conventionally, there is a device such as a Holter electrocardiograph that is worn on a patient and records a biological signal. Since such devices continue to record biological signals for a long time, the amount of data to be recorded becomes enormous.
そこで、記録するデータ量を低減するために、生体信号のサンプリング周波数を比較的低く抑える(デシメーション)ことが考えられる。 Therefore, in order to reduce the amount of data to be recorded, it is conceivable to keep the sampling frequency of the biological signal relatively low (decimation).
しかし、サンプリング周波数を低く抑えてしまうと、サンプリングによって得られたサンプリングデータから元の生体信号を復元しようとしても、精度良く復元できなくなる。 However, if the sampling frequency is kept low, even if it is attempted to restore the original biological signal from the sampling data obtained by sampling, it cannot be accurately restored.
特許文献1には、このようなサンプリングデータから元の生体信号を精度良く復元するために、スプライン補間という手法によってサンプリングデータを補間する技術が開示されている。 Patent Document 1 discloses a technique for interpolating sampling data by a technique called spline interpolation in order to accurately restore the original biological signal from such sampling data.
しかし、サンプリングデータに対して単にスプライン補間をするだけでは、必ずしも精度良く復元できないという問題がある。 However, there is a problem that it is not always possible to accurately restore the sampled data simply by performing spline interpolation.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、サンプリングデータからスプライン補間によって元の生体信号を復元する場合に、従来よりも精度良く元の生体信号を復元する生体信号処理装置および生体信号処理方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and when restoring the original biological signal from the sampling data by spline interpolation, the biological signal processing apparatus and the biological signal that restore the original biological signal with higher accuracy than before An object is to provide a processing method.
上記課題を解決するために、本発明に係る生体信号処理装置は、生体から生体信号を検出する検出部と、前記生体信号から所定値以上の高周波成分を除去して、当該生体信号を帯域圧縮する圧縮部と、圧縮された前記生体信号から、所定のサンプリング周波数により標本点を取得し、複数の標本点から構成されるサンプリングデータを生成するサンプリング部と、スプライン補間により前記標本点間に複数の補間点を追加して、前記サンプリングデータから、より高い時間分解能の生体信号データを復元するアップサンプリング部と、を有する。 In order to solve the above-described problems, a biological signal processing apparatus according to the present invention includes a detection unit that detects a biological signal from a living body, and removes a high-frequency component of a predetermined value or more from the biological signal and performs band compression on the biological signal A sampling unit that obtains sampling points from the compressed biological signal at a predetermined sampling frequency and generates sampling data composed of a plurality of sampling points, and a plurality of sampling points between the sampling points by spline interpolation. And an up-sampling unit that restores biological signal data with higher temporal resolution from the sampling data.
本発明によれば、高精度の生体信号をサンプリングデータから復元できる。 According to the present invention, a highly accurate biological signal can be restored from sampling data.
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
図1は、本実施形態にかかる生体信号解析システム1の概略構成図である。図2は、生体信号解析システム1に含まれる記録装置10のハードウェア構成例を示す図である。図3は、生体信号解析システム1に含まれる解析装置20のハードウェア構成例を示す図である。また、図4は、生体信号解析システム1の機能構成例を示す図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a biological signal analysis system 1 according to the present embodiment. FIG. 2 is a diagram illustrating a hardware configuration example of the recording apparatus 10 included in the biological signal analysis system 1. FIG. 3 is a diagram illustrating a hardware configuration example of the analysis device 20 included in the biological signal analysis system 1. FIG. 4 is a diagram illustrating a functional configuration example of the biological signal analysis system 1.
以下、図1〜図4を参照して、生体信号解析システム1の概略構成について説明する。 Hereinafter, a schematic configuration of the biological signal analysis system 1 will be described with reference to FIGS.
(生体信号解析システム1の全体)
図1に示すとおり、生体信号解析システム1は、記録装置10と、解析装置20と、を備えている。
(Whole biological signal analysis system 1)
As shown in FIG. 1, the biological signal analysis system 1 includes a recording device 10 and an analysis device 20.
記録装置10は、不図示の生体(被験者)から生体信号を検出して記録する。例えば、記録装置10は、生体から心電信号(「心電図データ」ともいう)を検出するホルター心電計である。通常、記録装置10は、生体(被験者)に装着されて長時間(例えば、24時間)にわたり心電信号を検出し続ける。 The recording device 10 detects and records a biological signal from a living body (subject) (not shown). For example, the recording apparatus 10 is a Holter electrocardiograph that detects an electrocardiogram signal (also referred to as “electrocardiogram data”) from a living body. Usually, the recording apparatus 10 is attached to a living body (subject) and continuously detects an electrocardiogram signal for a long time (for example, 24 hours).
心電信号などの生体信号は連続するアナログ信号であり、記録装置10は、検出した生体信号を離散的なデジタルデータに変換(A/D変換)し、データ量を減らすために一部のデジタルデータを一定間隔で抽出して記録する。以下では、一部のデジタルを抽出する処理をサンプリング(またはダウンサンプリング)とよび、サンプリングによって得られるデジタルデータをサンプリングデータとよぶ。なお、サンプリングの間隔を決めるサンプリング周波数Fspは、たとえば、125Hzとし、比較的低く抑えられている。 A biological signal such as an electrocardiogram signal is a continuous analog signal, and the recording apparatus 10 converts (A / D conversion) the detected biological signal into discrete digital data, and reduces some data in order to reduce the amount of data. Data is extracted and recorded at regular intervals. Hereinafter, a process of extracting a part of digital is called sampling (or downsampling), and digital data obtained by sampling is called sampling data. The sampling frequency Fsp that determines the sampling interval is, for example, 125 Hz, and is kept relatively low.
一方、解析装置20は、記録装置10で記録されたサンプリングデータから、元の生体信号を復元する。解析装置20は、サンプリングデータに複数の補間点を追加することによって、サンプリングデータよりも時間分解能が高い生体信号データを生成する。これを復元データとよぶ。解析装置20は、この復元データをグラフ化し、元の生体信号を復元した(再構成した)データとしてディスプレイ等の表示装置に表示する。これにより、ユーザーは、生体(被験者)から得られた生体信号を視覚的に確認できる。 On the other hand, the analysis device 20 restores the original biological signal from the sampling data recorded by the recording device 10. The analysis device 20 generates biological signal data having higher time resolution than the sampling data by adding a plurality of interpolation points to the sampling data. This is called restoration data. The analysis device 20 graphs the restored data and displays it on a display device such as a display as data obtained by restoring (reconstructing) the original biological signal. Thereby, the user can visually confirm the biological signal obtained from the living body (subject).
以上のような記録装置10と解析装置20は、コンピューターネットワークや携帯電話などの無線通信を介して相互に通信可能に接続することにより、記録装置10から解析装置20へとサンプリングデータを転送できる。また、サンプリングデータは、可搬型の外部メモリー13に記録されてもよく、この外部メモリー13を解析装置20へ移動させることにより、記録装置10において記録されたサンプリングデータを解析装置20へ移せる。 The recording device 10 and the analysis device 20 as described above can transfer sampling data from the recording device 10 to the analysis device 20 by connecting to each other via wireless communication such as a computer network or a mobile phone. The sampling data may be recorded in the portable external memory 13, and the sampling data recorded in the recording device 10 can be moved to the analyzing device 20 by moving the external memory 13 to the analyzing device 20.
なお、上記のコンピューターネットワークは、イーサネット(登録商標)、トークンリング、FDDI(Fiber Distributed Data Interface)等の規格によりコンピューターやネットワーク機器同士を接続したLAN(Local Area Network)、あるいはLAN同士を専用線で接続したWAN(Wide Area Network)等からなる。 The above computer network is a LAN (Local Area Network) in which computers and network devices are connected according to standards such as Ethernet (registered trademark), Token Ring, FDDI (Fiber Distributed Data Interface), etc., or LANs with dedicated lines. It consists of a connected WAN (Wide Area Network) or the like.
また、記録装置10と解析装置20は、コンピューターネットワークを介さずに、BlueTooth(登録商標)や赤外線通信などにより接続されてもよいし、USBケーブルを介したUSB通信などにより接続されてもよい。 Further, the recording device 10 and the analysis device 20 may be connected via BlueTooth (registered trademark) or infrared communication without using a computer network, or may be connected by USB communication via a USB cable.
また、可搬型の外部メモリー13は、USBメモリー、SDメモリーカード等、可搬型のメモリーであればいかなる名称、形態、構造のメモリーであってもよい。 The portable external memory 13 may be a memory having any name, form, and structure as long as it is a portable memory such as a USB memory or an SD memory card.
(記録装置10)
記録装置10は、図1、図2に示すとおり、電極11と、制御装置12と、を備えている。
(Recording device 10)
The recording device 10 includes an electrode 11 and a control device 12 as shown in FIGS. 1 and 2.
電極11は、生体に装着され、生体信号を検出する。電極の数および配置は、検出する生体信号の種類等に応じて適宜変更可能である。 The electrode 11 is attached to a living body and detects a biological signal. The number and arrangement of the electrodes can be appropriately changed according to the type of biological signal to be detected.
制御装置12は、本体となる筐体内部(例えば、図1の点線により囲まれた部分)に設けられ、記録装置10全体を制御する。例えば、制御装置12は、図2に示すとおり、接続インターフェース(I/F)31と、A/D変換器32と、帯域制限フィルター33と、CPU(Central Processing Unit)34と、メモリー35と、ストレージ36と、外部メモリースロット37と、通信インターフェース(I/F)38と、を有し、これらは信号をやり取りするためのバス39を介して相互に接続されている。 The control device 12 is provided inside the casing as a main body (for example, a portion surrounded by a dotted line in FIG. 1), and controls the entire recording device 10. For example, as illustrated in FIG. 2, the control device 12 includes a connection interface (I / F) 31, an A / D converter 32, a band limiting filter 33, a CPU (Central Processing Unit) 34, a memory 35, A storage 36, an external memory slot 37, and a communication interface (I / F) 38 are provided, and these are connected to each other via a bus 39 for exchanging signals.
接続I/F31は、電極11との電気的な接続を確保するためのインターフェースであり、電極11において検出された生体信号を記録装置10に入力する。 The connection I / F 31 is an interface for ensuring electrical connection with the electrode 11, and inputs a biological signal detected at the electrode 11 to the recording apparatus 10.
接続I/F31により入力された生体信号は、増幅器によって増幅されて、A/D変換器32へと供給される。 The biological signal input through the connection I / F 31 is amplified by the amplifier and supplied to the A / D converter 32.
A/D変換器32は、電極11において検出された生体信号(アナログ信号)を、デジタルデータに変換する。なお、A/D変換時のサンプリング周波数Faは、たとえば、1000Hzとする。また、単に「サンプリング周波数」とよぶとき、上述のサンプリング周波数FspおよびA/D変換時のサンプリング周波数Faの少なくともいずれかを指すものとする。 The A / D converter 32 converts the biological signal (analog signal) detected at the electrode 11 into digital data. Note that the sampling frequency Fa during A / D conversion is, for example, 1000 Hz. Further, when simply called “sampling frequency”, it means at least one of the above-described sampling frequency Fsp and A / D conversion sampling frequency Fa.
帯域制限フィルター33は、A/D変換器32において変換された生体信号のデジタルデータを帯域圧縮するフィルターである。例えば、帯域制限フィルター33は、生体信号の高周波成分を除去する。 The band limiting filter 33 is a filter that band-compresses the digital data of the biological signal converted by the A / D converter 32. For example, the band limiting filter 33 removes high frequency components from the biological signal.
帯域制限フィルター33の設定条件としては、例えば、生体信号の通過が阻止される(減衰率が「1/1000」倍以下となる)周波数帯域の境界となる周波数(以下「阻止域端周波数Fs」とよぶ)を、上述のサンプリング周波数Fspの1/2以下にするとよい。 As a setting condition of the band limiting filter 33, for example, a frequency that becomes a boundary of a frequency band in which passage of a biological signal is blocked (attenuation rate is "1/1000" or less) (hereinafter, "stop band end frequency Fs"). Is referred to as 1/2 or less of the sampling frequency Fsp.
以上のような帯域制限フィルター33には、例えば、「Kaiser Filter」が用いられる。 For the band limiting filter 33 as described above, for example, “Kaiser Filter” is used.
CPU34は、プログラムにしたがって上記各部の制御や各種の演算処理を実行するプロセッサ等から構成される制御回路であり、記録装置10の各機能は、それに対応するプログラムをCPU34が実行することにより発揮される。 The CPU 34 is a control circuit composed of a processor or the like that executes control of the above-described units and various arithmetic processes according to a program. Each function of the recording apparatus 10 is exhibited by the CPU 34 executing a corresponding program. The
メモリー35は、作業領域として一時的にプログラムおよびデータを記憶する高速アクセス可能な主記憶装置である。メモリー35には、例えば、DRAM(Dymamic Random Access Memory)、SDRAM(Synchronous Dymamic Random Access Memory)、SRAM(Static Random Access Memory)等が採用される。 The memory 35 is a high-speed accessible main storage device that temporarily stores programs and data as a work area. As the memory 35, for example, a DRAM (Dynamic Random Access Memory), an SDRAM (Synchronous Dynamic Access Memory), an SRAM (Static Random Access Memory), or the like is adopted.
ストレージ36は、各種プログラムや各種データを格納する補助記憶装置である。ストレージ36には、例えば、フラッシュメモリー、ソリッドステートドライブ、ハードディスク等が採用される。なお、記録装置10は、生体(被験者)に長時間装着されることが想定されているため、ストレージ36の記録容量は、少なくとも125Hzのサンプリング周波数Fspで24時間サンプリングデータを記録できる程度とする。 The storage 36 is an auxiliary storage device that stores various programs and various data. For the storage 36, for example, a flash memory, a solid state drive, a hard disk or the like is employed. Since the recording device 10 is assumed to be worn on a living body (subject) for a long time, the recording capacity of the storage 36 is set to a level at which 24-hour sampling data can be recorded at a sampling frequency Fsp of at least 125 Hz.
外部メモリースロット37は、可搬型の外部メモリー13が挿入された状態において、外部メモリー13にデータ(例えば、サンプリングデータ)を読み書きするためのインターフェースである。なお、外部メモリー13の記録容量は、ストレージ36と同様に、少なくとも、125Hzのサンプリング周波数Fspで24時間サンプリングデータを記録できる程度とする。 The external memory slot 37 is an interface for reading / writing data (for example, sampling data) from / to the external memory 13 in a state where the portable external memory 13 is inserted. It should be noted that the recording capacity of the external memory 13 is set to be at least capable of recording 24-hour sampling data at a sampling frequency Fsp of 125 Hz, as with the storage 36.
通信I/F38は、外部機器(例えば、解析装置20)とコンピューターネットワークを介して通信するためのインターフェースであり、イーサネット(登録商標)、トークンリング、FDDI等の規格が用いられる。また、BlueTooth(登録商標)、赤外線通信、USB通信、携帯電話などによる無線通信のためのインターフェースが設けられてもよい。 The communication I / F 38 is an interface for communicating with an external device (for example, the analysis device 20) via a computer network, and standards such as Ethernet (registered trademark), token ring, and FDDI are used. In addition, an interface for wireless communication using BlueTooth (registered trademark), infrared communication, USB communication, mobile phone, or the like may be provided.
以上のようなハードウェア構成からなる記録装置10は、機能構成として、図4の紙面上側に示すとおり、生体信号入力部51と、帯域圧縮部52と、サンプリング部53と、サンプリングデータ保存部54と、を有する。 The recording apparatus 10 having the hardware configuration as described above has, as a functional configuration, a biological signal input unit 51, a band compression unit 52, a sampling unit 53, and a sampling data storage unit 54 as shown in the upper side of the drawing in FIG. And having.
生体信号入力部51は、例えば、上記の接続I/F31およびA/D変換器32によって実現され、電極11において検出された生体信号を記録装置10に入力し、デジタルデータに変換する。 The biological signal input unit 51 is realized by, for example, the connection I / F 31 and the A / D converter 32 described above, and inputs the biological signal detected at the electrode 11 to the recording device 10 and converts it into digital data.
帯域圧縮部52は、例えば、上記の帯域制限フィルター33によって実現され、生体信号入力部51により入力された生体信号(デジタルデータ)を帯域圧縮する。 The band compression unit 52 is realized by, for example, the band limiting filter 33 described above, and band-compresses the biological signal (digital data) input by the biological signal input unit 51.
ただし、帯域圧縮部52は、帯域制限フィルター33のようなハードウェアに限らず、ソフトウェアによって実現されてもよい。例えば、帯域圧縮部52は、CPU34が、ストレージ36にインストールされているプログラムをメモリー35に読み出して実行することにより実現されてもよい。 However, the band compression unit 52 is not limited to hardware such as the band limiting filter 33 and may be realized by software. For example, the band compression unit 52 may be realized by the CPU 34 reading a program installed in the storage 36 into the memory 35 and executing it.
サンプリング部53は、帯域圧縮された生体信号(デジタルデータ)をサンプリングする。例えば、サンプリング部53は、帯域圧縮部52によって帯域圧縮された1000Hzのサンプリング周波数Faの生体信号を、125Hzのサンプリング周波数Fspでダウンサンプリングし、複数の標本点から構成されるサンプリングデータを生成する。これにより、データ量を軽減(本実施例では、データ量を1/8に軽減)できる。 The sampling unit 53 samples the biological signal (digital data) subjected to band compression. For example, the sampling unit 53 down-samples the biological signal having the sampling frequency Fa of 1000 Hz that has been band-compressed by the band compressing unit 52 with the sampling frequency Fsp of 125 Hz, and generates sampling data composed of a plurality of sample points. Thereby, the data amount can be reduced (in this embodiment, the data amount is reduced to 1/8).
このようなサンプリング部53は、例えば、CPU34が、ストレージ36にインストールされているプログラムをメモリー35に読み出して実行することにより実現される。 Such a sampling unit 53 is realized by, for example, the CPU 34 reading a program installed in the storage 36 into the memory 35 and executing it.
サンプリングデータ保存部54は、上記のストレージ36または外部メモリー13によって実現され、サンプリング部53によってダウンサンプリングされたサンプリングデータを保存する。 The sampling data storage unit 54 is realized by the storage 36 or the external memory 13 and stores sampling data down-sampled by the sampling unit 53.
(解析装置20)
解析装置20は、記録装置10において記録されたサンプリングデータを取得して、元の生体信号を復元する端末である。例えば、解析装置20には、図1に示されるようなデスクトップ型PC(パーソナルコンピューター)が用いられてもよいし、タブレット端末、スマートフォン、携帯電話、等の携帯端末が用いられてもよい。
(Analyzer 20)
The analysis device 20 is a terminal that acquires sampling data recorded in the recording device 10 and restores the original biological signal. For example, a desktop PC (personal computer) as shown in FIG. 1 may be used for the analysis device 20, or a portable terminal such as a tablet terminal, a smartphone, or a mobile phone may be used.
解析装置20は、図1、図3に示すとおり、制御装置21と、表示装置22と、入力装置23と、を有する。 As shown in FIGS. 1 and 3, the analysis device 20 includes a control device 21, a display device 22, and an input device 23.
制御装置21は、筐体内部(例えば、図1の点線により囲まれた部分)に設けられ、解析装置20全体を制御する。例えば、制御装置21は、図3に示すとおり、CPU41と、メモリー42と、ストレージ43と、外部メモリースロット44と、通信インターフェース(I/F)45と、を有し、これらは信号をやり取りするためのバス46を介して相互に接続されている。 The control device 21 is provided inside the housing (for example, a portion surrounded by a dotted line in FIG. 1) and controls the entire analysis device 20. For example, as shown in FIG. 3, the control device 21 has a CPU 41, a memory 42, a storage 43, an external memory slot 44, and a communication interface (I / F) 45, which exchange signals. Are connected to each other via a bus 46.
CPU41は、プログラムにしたがって上記各部の制御や各種の演算処理を実行するマルチコアのプロセッサ等から構成される制御回路であり、解析装置20の各機能は、それに対応するプログラムをCPU41が実行することにより発揮される。 The CPU 41 is a control circuit configured by a multi-core processor or the like that executes control of the above-described units and various arithmetic processes according to a program. Each function of the analysis device 20 is executed by the CPU 41 executing a corresponding program. Demonstrated.
メモリー42は、作業領域として一時的にプログラムおよびデータを記憶する高速アクセス可能な主記憶装置である。メモリー42には、例えば、DRAM、SDRAM、SRAM等が採用される。 The memory 42 is a high-speed accessible main storage device that temporarily stores programs and data as a work area. As the memory 42, for example, DRAM, SDRAM, SRAM, or the like is employed.
ストレージ43は、オペレーティングシステムを含む各種プログラムや各種データを格納する大容量の補助記憶装置である。ストレージ43には、例えば、フラッシュメモリー、ソリッドステートドライブ、ハードディスク等が採用される。 The storage 43 is a large-capacity auxiliary storage device that stores various programs including an operating system and various data. As the storage 43, for example, a flash memory, a solid state drive, a hard disk, or the like is employed.
外部メモリースロット44は、可搬型の外部メモリー13が挿入された状態において、外部メモリー13にデータ(例えば、サンプリングデータ)を読み書きするためのインターフェースである。 The external memory slot 44 is an interface for reading / writing data (for example, sampling data) from / to the external memory 13 in a state where the portable external memory 13 is inserted.
通信I/F45は、外部機器(例えば、記録装置10)とコンピューターネットワークを介して通信するためのインターフェースであり、イーサネット(登録商標)、トークンリング、FDDI等の規格が用いられる。また、BlueTooth(登録商標)、赤外線通信、USB通信、携帯電話などによる無線通信のためのインターフェースが設けられてもよい。 The communication I / F 45 is an interface for communicating with an external device (for example, the recording apparatus 10) via a computer network, and standards such as Ethernet (registered trademark), token ring, and FDDI are used. In addition, an interface for wireless communication using BlueTooth (registered trademark), infrared communication, USB communication, mobile phone, or the like may be provided.
表示装置22は、解析装置20において復元データを確認するための画面などを表示する。表示装置22には、例えば、図1に示されるような、液晶ディスプレイ、有機EL(Electro−Luminescence)等が採用される。 The display device 22 displays a screen for confirming the restoration data in the analysis device 20. As the display device 22, for example, a liquid crystal display, an organic EL (Electro-Luminescence), or the like as shown in FIG. 1 is employed.
入力装置23は、ユーザーからの各種入力を受け付ける。入力装置23には、図1に示されるような、キーボード23aやマウス23b等が採用される。 The input device 23 receives various inputs from the user. As the input device 23, a keyboard 23a, a mouse 23b, and the like as shown in FIG.
以上のようなハードウェア構成からなる解析装置20は、機能構成として、図4に示すとおり、取得部61と、補間部62と、アップサンプリング部63と、復元データ保存部64と、を有する。 As shown in FIG. 4, the analysis device 20 having the hardware configuration as described above includes an acquisition unit 61, an interpolation unit 62, an upsampling unit 63, and a restored data storage unit 64 as a functional configuration.
取得部61は、記録装置10において記録された生体信号のサンプリングデータを取得する。取得部61は、記録装置10とコンピューターネットワーク等を介して通信し、サンプリングデータ保存部54に保存されているサンプリングデータを取得する。また、これ以外の取得方法として、取得部61は、例えば、外部メモリースロット44に挿入されている外部メモリー13からサンプリングデータを読み出してもよい。 The acquisition unit 61 acquires sampling data of a biological signal recorded in the recording device 10. The acquisition unit 61 communicates with the recording apparatus 10 via a computer network or the like, and acquires sampling data stored in the sampling data storage unit 54. As another acquisition method, the acquisition unit 61 may read sampling data from the external memory 13 inserted in the external memory slot 44, for example.
補間部62は、サンプリングデータを構成する標本点から局所的に複数(例えば、6点)の標本点を選択し、それらをスプライン補間関数により補間する。ここで、標本点のうちの2点間のスプライン補間関数を補間値用のスプライン補間関数とする。そして、補間部62は、このような補間を繰り返し、サンプリングデータに含まれる全ての標本点間をスプライン補間関数によって補間する。スプライン補間関数については、後述する。 The interpolation unit 62 locally selects a plurality of (for example, six) sample points from the sample points constituting the sampling data, and interpolates them with a spline interpolation function. Here, the spline interpolation function between two of the sample points is set as a spline interpolation function for the interpolation value. Then, the interpolation unit 62 repeats such interpolation, and interpolates between all the sample points included in the sampling data using a spline interpolation function. The spline interpolation function will be described later.
アップサンプリング部63は、補間部62により求められた各スプライン補間関数上に複数の補間点を追加して、サンプリングデータよりも高い時間分解能(例えば、1000Hz)の復元データを再構成する。 The up-sampling unit 63 adds a plurality of interpolation points on each spline interpolation function obtained by the interpolation unit 62, and reconstructs restoration data having a higher time resolution (for example, 1000 Hz) than the sampling data.
復元データ保存部64は、アップサンプリング部63により再構成された復元データを保存する。 The restored data storage unit 64 stores the restored data reconstructed by the upsampling unit 63.
以上のような、取得部61は、CPU41が、ストレージ43にインストールされているプログラムをメモリー42に読み出して実行し、外部メモリースロット44または通信I/F45を制御することにより実現される。また、補間部62およびアップサンプリング部63は、CPU41が、ストレージ43にインストールされているプログラムをメモリー42に読み出して実行することにより実現される。また、復元データ保存部64は、例えば、ストレージ43または外部メモリー13により実現される。 The acquisition unit 61 as described above is realized by the CPU 41 reading the program installed in the storage 43 into the memory 42 and executing it, and controlling the external memory slot 44 or the communication I / F 45. The interpolation unit 62 and the upsampling unit 63 are realized by the CPU 41 reading out the program installed in the storage 43 to the memory 42 and executing it. The restored data storage unit 64 is realized by the storage 43 or the external memory 13, for example.
次に、記録装置10の動作について説明する。 Next, the operation of the recording apparatus 10 will be described.
<記録処理>
図5は、生体(被験者)から検出された生体信号を記録する処理(以下では「記録処理」とよぶ)の手順を示すフローチャートである。また、図6は、生体から検出される生体信号(上段)、サンプリング間隔(中段)、サンプリングされた標本点(下段)を例示する図である。また、図7は、帯域圧縮の方法について説明するための図である。図8は、記録装置10において記録されるサンプリングデータの概略データ構造を示す図である。
<Recording process>
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure of a process of recording a biological signal detected from a living body (subject) (hereinafter referred to as “recording process”). FIG. 6 is a diagram illustrating a biological signal detected from a living body (upper stage), a sampling interval (middle stage), and sampled sample points (lower stage). FIG. 7 is a diagram for explaining a band compression method. FIG. 8 is a diagram showing a schematic data structure of sampling data recorded in the recording apparatus 10.
以下、図5〜図8を参照して、記録処理の手順を説明する。 Hereinafter, the procedure of the recording process will be described with reference to FIGS.
記録装置10は、電極11が生体(被験者)に装着された状態において、ユーザーから記録開始の指示を受け付けると、図5に示す記録処理を開始する。 When the recording apparatus 10 receives a recording start instruction from the user in a state where the electrode 11 is attached to a living body (subject), the recording apparatus 10 starts the recording process shown in FIG.
記録処理が開始されると、記録装置10は、生体信号入力部51として機能し、電極11において検出された生体信号を記録装置10に入力する(ステップS101)。ここで入力される生体信号は、例えば、図6の上段に示すような波形の心電信号である。一般に、健常者の心電信号では、図6に示すように、P波、Q波、R波、S波、T波のような基本波形が観測される。 When the recording process is started, the recording device 10 functions as the biological signal input unit 51 and inputs the biological signal detected by the electrode 11 to the recording device 10 (step S101). The biosignal input here is, for example, an electrocardiogram signal having a waveform as shown in the upper part of FIG. In general, as shown in FIG. 6, basic waveforms such as P wave, Q wave, R wave, S wave, and T wave are observed in an electrocardiogram signal of a healthy person.
ここで、記録装置10に入力された生体信号は増幅器によって増幅される。 Here, the biological signal input to the recording apparatus 10 is amplified by an amplifier.
次に、記録装置10は、増幅器によって増幅された生体信号を、A/D変換器32によりデジタルデータ(例えば、サンプリング周波数Faを1000Hzとする)に変換し、その後、帯域圧縮部52として機能して、帯域圧縮する(ステップS102)。ステップS102での帯域圧縮には、例えば、図7に示すような帯域制限フィルター33、すなわち、「Kaiser Filter」が用いられる。図7に示す例では、帯域制限フィルター33の阻止域端周波数Fsは、サンプリング周波数Fspの1/2(例えば、62.5Hz)に設定されている。なお、図中の「Fp」は、通過帯域の境界となる周波数、すなわち通過域端周波数を示しており、通過域端周波数Fpと阻止域端周波数Fsの間の区間は減衰域とよばれる。 Next, the recording apparatus 10 converts the biological signal amplified by the amplifier into digital data (for example, the sampling frequency Fa is set to 1000 Hz) by the A / D converter 32, and then functions as the band compression unit 52. Then, band compression is performed (step S102). For the band compression in step S102, for example, a band limiting filter 33 as shown in FIG. 7, that is, “Kaiser Filter” is used. In the example shown in FIG. 7, the stop band edge frequency Fs of the band limiting filter 33 is set to ½ (for example, 62.5 Hz) of the sampling frequency Fsp. Note that “Fp” in the figure indicates a frequency that becomes a boundary of the passband, that is, a passband end frequency, and a section between the passband end frequency Fp and the stopband end frequency Fs is called an attenuation region.
そして、記録装置10は、サンプリング部53として機能し、帯域圧縮された生体信号(デジタルデータ)をダウンサンプリングする(ステップS103)。たとえば、ステップS103でのダウンサンプリングは、所定のサンプリング周波数Fspで行われる。ただし、サンプリング周波数Fspは、上述したとおり、記録するデータ量を軽減するため、比較的低く抑えられている(例えば、125Hz)。 Then, the recording device 10 functions as the sampling unit 53, and down-samples the band-compressed biological signal (digital data) (step S103). For example, the downsampling in step S103 is performed at a predetermined sampling frequency Fsp. However, as described above, the sampling frequency Fsp is kept relatively low (for example, 125 Hz) in order to reduce the amount of data to be recorded.
ステップS103のダウンサンプリングにより、帯域圧縮された心電信号からは、図6の中段、下段に示すようなサンプリング間隔T(=1/Fsp)の標本点が得られる。 As a result of the downsampling in step S103, sample points with a sampling interval T (= 1 / Fsp) as shown in the middle and lower parts of FIG. 6 are obtained from the ECG signal subjected to band compression.
そして、記録装置10は、ステップS103において得られた標本点の値を、サンプリングデータ150として保存する(ステップS104)。ここでのサンプリングデータ150の保存先は、サンプリングデータ保存部54、すなわち、ストレージ36、外部メモリー13等となる。 Then, the recording apparatus 10 stores the sample point value obtained in step S103 as the sampling data 150 (step S104). The storage destination of the sampling data 150 here is the sampling data storage unit 54, that is, the storage 36, the external memory 13, and the like.
サンプリングデータ150では、図8に示すとおり、標本点151ごとに、時刻152と、値153と、が対応付けられている。 In the sampling data 150, as shown in FIG. 8, a time 152 and a value 153 are associated with each sample point 151.
なお、標本点151は、ステップS103においてサンプリングされた標本点を識別する情報である。また、時刻152は、標本点がサンプリングされた時刻を示すデータである。また、値153は、サンプリングされた標本点の値(例えば、電位)を示すデータである。 The sample point 151 is information for identifying the sample point sampled in step S103. Time 152 is data indicating the time at which the sample point was sampled. The value 153 is data indicating the value (for example, potential) of the sampled sample point.
その後、記録装置10は、記録処理を終了する。 Thereafter, the recording apparatus 10 ends the recording process.
以上の記録処理が記録装置10において実行されることにより、生体(被験者)から検出された生体信号についてのサンプリングデータを記録できる。 By executing the above recording process in the recording apparatus 10, it is possible to record sampling data on a biological signal detected from a living body (subject).
<復元処理>
次に、上記の記録処理によって記録されたサンプリングデータ150から、元の生体信号を復元する処理(以下では「復元処理」)について説明する。
<Restore process>
Next, a process of restoring the original biological signal from the sampling data 150 recorded by the above-described recording process (hereinafter referred to as “restoration process”) will be described.
図9は、解析装置20において実行される復元処理の手順を示すフローチャートである。また、図10は、復元処理中に行われるスプライン補間処理の方法について説明するための図である。図11は、復元処理中に行われるアップサンプリング処理の方法について説明するための図である。また、図12は、復元処理中において再構成される復元データの概略データ構造を示す図である。 FIG. 9 is a flowchart showing the procedure of the restoration process executed in the analysis apparatus 20. FIG. 10 is a diagram for explaining a method of spline interpolation processing performed during the restoration processing. FIG. 11 is a diagram for explaining a method of upsampling processing performed during the restoration processing. FIG. 12 is a diagram showing a schematic data structure of restoration data reconstructed during the restoration process.
以下、図9〜図12を参照して、復元処理の手順を説明する。 Hereinafter, the procedure of the restoration process will be described with reference to FIGS.
例えば、解析装置20は、入力装置23の操作によってユーザーから復元開始の指示を受け付けると、図9に示す復元処理を開始する。 For example, when receiving an instruction to start restoration from the user by operating the input device 23, the analysis device 20 starts the restoration processing illustrated in FIG.
復元処理が開始されると、解析装置20は、取得部61として機能し、サンプリングデータ150を、記録装置10から取得する(ステップS201)。例えば、解析装置20は、コンピューターネットワークを介して、記録装置10のサンプリングデータ保存部54に保存されているサンプリングデータ150を取得すればよい。もちろん、外部メモリースロット44に挿入された外部メモリー13に記録されているサンプリングデータ150を読み出してもよい。 When the restoration process is started, the analysis device 20 functions as the acquisition unit 61 and acquires the sampling data 150 from the recording device 10 (step S201). For example, the analysis device 20 may acquire the sampling data 150 stored in the sampling data storage unit 54 of the recording device 10 via a computer network. Of course, the sampling data 150 recorded in the external memory 13 inserted in the external memory slot 44 may be read.
その後、解析装置20は、補間部62として機能し、サンプリングデータ150に含まれる全ての標本点間をスプライン補間関数によって補間する(ステップS202)。本実施形態では、ステップS202の処理を「局所スプライン補間処理」とよぶ。 Thereafter, the analysis device 20 functions as the interpolation unit 62, and interpolates between all the sample points included in the sampling data 150 using a spline interpolation function (step S202). In the present embodiment, the processing in step S202 is referred to as “local spline interpolation processing”.
以下、局所スプライン補間処理について詳細に説明する。図10に示すとおり、ステップS202の局所スプライン補間処理では、まず、解析装置20は、サンプリングデータ150に含まれる標本点から、局所的に(時間的に連続する)複数の標本点を選択する。図示する例では、6個の標本点(黒塗りのひし形)が選択されている。 Hereinafter, the local spline interpolation processing will be described in detail. As shown in FIG. 10, in the local spline interpolation processing in step S <b> 202, first, the analysis apparatus 20 selects a plurality of sample points locally (continuously in time) from the sample points included in the sampling data 150. In the example shown in the figure, six sample points (black diamonds) are selected.
次に、解析装置20は、局所的に選択した標本点が存在する範囲(図10に示される立式範囲)において、各標本点の座標(x1,y1),(x2,y2),・・・,(xi−1,yi−1),(xi,yi),・・・,(xn−1,yn−1),(xn,yn)が、y=f(x)を満たすものとする。ただし、iは、図10に示す標本点番号であり、nは、局所的に選択した標本点の総数を表している(図10の例では「n=6」)。 Next, the analysis apparatus 20 has the coordinates (x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ) of each sample point in the range where the locally selected sample points exist (the vertical range shown in FIG. 10). ), ..., (x i-1 , y i-1 ), (x i , y i ), ..., (x n-1 , y n-1 ), (x n , y n ) Y = f (x). However, i is the sample point number shown in FIG. 10, and n represents the total number of locally selected sample points (“n = 6” in the example of FIG. 10).
そして、解析装置20は、局所的に選択した複数の標本点についてスプライン補間関数により補間する。より具体的には、解析装置20は、局所的に選択した複数の標本点についてスプライン補間を実施し、標本点のうちの2点間に複数の補間点を追加する(図10に示す例では区間C)。 Then, the analysis apparatus 20 interpolates a plurality of locally selected sample points using a spline interpolation function. More specifically, the analysis device 20 performs spline interpolation on a plurality of locally selected sample points, and adds a plurality of interpolation points between two of the sample points (in the example shown in FIG. 10). Section C).
ここで、スプライン補間には、例えば、以下の数式(1)のような3次関数のスプライン補間関数が用いられる。 Here, for the spline interpolation, for example, a cubic spline interpolation function such as the following formula (1) is used.
Si(x)=ai+bi(x−xi)+ci(x−xi)2+di(x−xi)3 ・・数式(1)
但し、1≦i≦n−1、xi≦x≦xi+1とする。また、Si(x)は、i番目とi+1番目の標本点間に補間点を追加する際に用いるi番目のスプライン補間関数を表しており、ai、bi、ci、diは、係数である。
S i (x) = a i + b i (x−x i ) + c i (x−x i ) 2 + d i (x−x i ) 3 ... Formula (1)
However, 1 ≦ i ≦ n−1 and x i ≦ x ≦ x i + 1 are set. S i (x) represents an i-th spline interpolation function used to add an interpolation point between the i-th and i + 1-th sample points, and a i , b i , c i , d i are Is a coefficient.
そして、解析装置20は、以下の条件1〜3を満たす係数ai、bi、ci、diを求めて、スプライン補間関数を決定する。 Then, the analysis device 20 obtains coefficients a i , b i , c i , d i that satisfy the following conditions 1 to 3, and determines a spline interpolation function.
(条件1)
Si(xi)=f(xi)=yi
Si(xi+1)=f(xi+1)=yi+1
(条件2)
Si−1(xi)=Si(xi)
S’i−1(xi)=S’i(xi)
S”i−1(xi)=S”i(xi)
(条件3)
S”1(x1)=S”n−1(xn)=0 または、
S’1(x1)=f’(x0)、S’n−1(xn)=f’(xn)
なお、上記の条件1は、i番目とi+1番目の標本点が、i番目のスプライン補間関数Si(x)上を通過するための条件である。また、上記の条件2は、i−1番目のスプライン補間関数Si−1(x)とi番目のスプライン補間関数Si(x)の接続点が滑らかになるための条件である。また、上記の条件3は、局所的に選択した標本点が存在する範囲(図10に示される立式範囲)の両端が自由端となるための条件である。
(Condition 1)
S i (x i ) = f (x i ) = y i
S i (x i + 1 ) = f (x i + 1 ) = y i + 1
(Condition 2)
S i-1 (x i ) = S i (x i )
S ′ i−1 (x i ) = S ′ i (x i )
S ″ i−1 (x i ) = S ″ i (x i )
(Condition 3)
S ″ 1 (x 1 ) = S ″ n−1 (x n ) = 0 or
S ′ 1 (x 1 ) = f ′ (x 0 ), S ′ n−1 (x n ) = f ′ (x n )
The above condition 1 is a condition for the i-th and i + 1-th sample points to pass on the i-th spline interpolation function S i (x). The condition 2 is a condition for smoothing the connection point between the ( i−1 ) th spline interpolation function S i−1 (x) and the i th spline interpolation function S i (x). Further, the above condition 3 is a condition for allowing both ends of a range where the locally selected sample points exist (standing range shown in FIG. 10) to be free ends.
以上のように、解析装置20は、条件1〜3を満たす係数ai、bi、ci、diを求めて、i番目とi+1番目の標本点間(図10に示す区間C)のスプライン補間関数Si(x)を決定できる。 As described above, the analysis apparatus 20 obtains the coefficients a i , b i , c i , and d i satisfying the conditions 1 to 3 and obtains between the i-th and i + 1-th sample points (section C shown in FIG. 10). A spline interpolation function S i (x) can be determined.
そして、解析装置20は、図11に示すように、局所的に選択する標本点をずらしながら、同様のスプライン補間処理を繰り返す。すなわち、解析装置20は、図11の(1)に示される範囲(S11、S12、S13、S14、S15)から区間S13(図11の区間Cに相当)のスプライン補間関数SiS1(x)を決定した後、図11の(2)に示される範囲(S21、S22、S23、S24、S25)から区間S23(図11の区間Dに相当)のスプライン補間関数Si+12(x)、図11の(3)に示される範囲(S31、S32、S33、S34、S35)から区間S33(図11の区間Eに相当)のスプライン補間関数Si+23(x)、を順次、決定していく。解析装置20は、決定した各スプライン補間関数(S13、S23、S33)を結んで、図11の(4)に示すような連続関数(S1、S2、S3)を作成する。このようにして、解析装置20は、サンプリングデータ150に含まれる全ての標本点間をスプライン補間関数によって補間できる。 Then, as shown in FIG. 11, the analysis device 20 repeats the same spline interpolation process while shifting the sample points to be locally selected. That is, the analysis device 20 performs the spline interpolation function in the range shown in (1) of FIG. 11 (S 11 , S 12 , S 13 , S 14 , S 15 ) to the section S 13 (corresponding to the section C in FIG. 11). After determining S i S 1 (x), it corresponds to the section S 23 (corresponding to the section D in FIG. 11) from the range (S 21 , S 22 , S 23 , S 24 , S 25 ) shown in (2) of FIG. ) Spline interpolation function S i + 12 (x), the range shown in (3) of FIG. 11 (S 31 , S 32 , S 33 , S 34 , S 35 ) to section S 33 (corresponding to section E of FIG. 11) The spline interpolation function S i + 2 3 (x) is sequentially determined. The analysis device 20 connects the determined spline interpolation functions (S 13 , S 23 , S 33 ) to create a continuous function (S 1 , S 2 , S 3 ) as shown in (4) of FIG. . In this way, the analysis device 20 can interpolate between all the sample points included in the sampling data 150 using the spline interpolation function.
ステップS202において全ての標本点間がスプライン補間関数によって補間されると、解析装置20は、アップサンプリング部63として機能し、各スプライン補間関数上に複数の補間点を追加する(ステップS203)。このとき、各補間点は、図11の白丸で示すように、等間隔となるように追加される。このようにして、サンプリンデータ150に元々含まれていた標本点と、ステップS203で追加された補間点と、からなる復元データが生成される。 When all the sample points are interpolated by the spline interpolation function in step S202, the analysis apparatus 20 functions as the upsampling unit 63 and adds a plurality of interpolation points on each spline interpolation function (step S203). At this time, the interpolation points are added at regular intervals as indicated by white circles in FIG. In this way, reconstructed data including the sample points originally included in the sample data 150 and the interpolation points added in step S203 is generated.
また、当然ながら、補間点間の時間間隔T’は、サンプリングデータ150の標本点間の時間間隔T(=1/Fsp)より短縮(例えば、1/8倍)されている。そのため、復元データは、サンプリングデータよりも高い時間分解能(例えば、リサンプリング周波数Fbが1000Hz)を有するデータとなる。 Naturally, the time interval T ′ between the interpolation points is shorter (for example, 1/8 times) than the time interval T (= 1 / Fsp) between the sample points of the sampling data 150. Therefore, the restoration data is data having a higher time resolution (for example, the resampling frequency Fb is 1000 Hz) than the sampling data.
その後、解析装置20は、引き続きアップサンプリング部63として機能し、ステップS203において生成された復元データ160として保存する(ステップS204)。ここでの復元データ160の保存先は、復元データ保存部64、すなわち、ストレージ43、外部メモリー13等となる。 Thereafter, the analysis device 20 continues to function as the upsampling unit 63 and stores it as the restored data 160 generated in step S203 (step S204). The storage destination of the restoration data 160 here is the restoration data storage unit 64, that is, the storage 43, the external memory 13, and the like.
復元データ160では、図12に示すとおり、標本点/補間点161ごとに、時刻162と、値163と、が対応付けられている。 In the restored data 160, as shown in FIG. 12, a time 162 and a value 163 are associated with each sample point / interpolation point 161.
なお、標本点/補間点161は、標本点および補間点を識別する情報である。また、時刻162は、標本点および補間点の時刻を示すデータである。また、値163は、標本点および補間点の値(例えば、電位)を示すデータである。 The sample point / interpolation point 161 is information for identifying the sample point and the interpolation point. Time 162 is data indicating the time of the sample point and the interpolation point. The value 163 is data indicating the values (for example, potentials) of the sample points and the interpolation points.
このような復元データ160は、サンプリングデータ150に、補間点に関する時刻162および値163の内容が追加されて生成される(図12の点線内)。 Such restoration data 160 is generated by adding the contents of the time 162 and the value 163 related to the interpolation point to the sampling data 150 (inside the dotted line in FIG. 12).
その後、解析装置20は、復元処理を終了する。 Thereafter, the analysis device 20 ends the restoration process.
なお、解析装置20は、ユーザーからの指示に基づいて、復元データ160を表示装置42に表示できる。例えば、解析装置20は、復元データ160に含まれる標本点および補間点が時系列順に結ばれたグラフを、復元された生体信号として表示する。 The analysis device 20 can display the restored data 160 on the display device 42 based on an instruction from the user. For example, the analysis device 20 displays a graph in which the sampling points and the interpolation points included in the restoration data 160 are connected in time series as a restored biological signal.
図13は、復元された生体信号を例示する図である。 FIG. 13 is a diagram illustrating a restored biological signal.
図13に示されるように、表示装置42には、復元された生体信号が表示される。ここで表示された生体信号は、記録装置10において記録されたサンプリングデータ150よりも高い時間分解能の復元データ160を用いて作成されている。そのため、ユーザーは、元の生体信号により近い生体信号に基づいて生体(被験者)の状態を確認できる。 As shown in FIG. 13, the restored biological signal is displayed on the display device 42. The biological signal displayed here is created using the restoration data 160 having a higher time resolution than the sampling data 150 recorded in the recording apparatus 10. Therefore, the user can confirm the state of the living body (subject) based on the biological signal closer to the original biological signal.
また、上記ステップS102の帯域圧縮では、帯域制限フィルター33の阻止域端周波数Fsは、サンプリング周波数Fspの1/2以下に設定されている。これは、サンプリング定理によるものである。 In the band compression in step S102, the stop band end frequency Fs of the band limiting filter 33 is set to ½ or less of the sampling frequency Fsp. This is due to the sampling theorem.
なお、上記した各フローチャートの各処理単位は、記録装置10および解析装置20の理解を容易にするために、主な処理内容に応じて分割したものである。処理ステップの分類の仕方やその名称によって、本願発明が制限されることはない。記録装置10および解析装置20で行われる処理は、さらに多くの処理ステップに分割することもできる。また、1つの処理ステップが、さらに多くの処理を実行してもよい。 Note that each processing unit in each flowchart described above is divided according to the main processing contents in order to facilitate understanding of the recording device 10 and the analysis device 20. The invention of the present application is not limited by the method of classification of the processing steps and the names thereof. The processing performed in the recording device 10 and the analysis device 20 can be divided into more processing steps. One processing step may execute more processes.
<評価結果>
以下、上記の生体信号解析システム1についての評価結果を示す。
<Evaluation results>
Hereinafter, the evaluation result about said biological signal analysis system 1 is shown.
(評価実験1)
まず、上記の記録装置10に生体信号として正弦波信号が入力されたときに、解析装置20による復元データの波形(以下、「復元波形」とよぶ)について評価した。
(Evaluation Experiment 1)
First, when a sine wave signal was input as a biological signal to the recording apparatus 10 described above, the waveform of the restored data by the analyzing apparatus 20 (hereinafter referred to as “restored waveform”) was evaluated.
具体的には、記録装置10に入力する正弦波信号の周波数を10[Hz]として、その正弦波信号1周期分の入力波形と、解析装置20による1周期分の復元波形と、を比較した。 Specifically, assuming that the frequency of the sine wave signal input to the recording device 10 is 10 [Hz], the input waveform for one cycle of the sine wave signal and the restored waveform for one cycle by the analysis device 20 were compared. .
図14(A)は、記録装置10に入力された10Hzの正弦波信号1周期分の入力波形(破線)と、サンプリング周波数Fspが125Hzのときの記録装置10によって得られるサンプリングデータの波形(鎖線)(以下、「サンプリング波形」とよぶ)と、解析装置20による1周期分の復元波形(実線)と、を示す図である。解析装置20により、サンプリング波形から復元波形が生成されるが、図14(A)に示すとおり、入力波形と復元波形はほぼ重なっており、その振幅の最大誤差は0.071%であった。したがって、本実施形態の生体信号解析システム1では、10Hzの正弦波信号を適切に復元できることがわかる。 FIG. 14A shows an input waveform (broken line) for one period of a 10 Hz sine wave signal input to the recording apparatus 10 and a waveform (dashed line) of sampling data obtained by the recording apparatus 10 when the sampling frequency Fsp is 125 Hz. (Hereinafter referred to as “sampling waveform”) and a restored waveform (solid line) for one cycle by the analysis apparatus 20. The analysis device 20 generates a restored waveform from the sampling waveform. As shown in FIG. 14A, the input waveform and the restored waveform almost overlap each other, and the maximum error in the amplitude was 0.071%. Therefore, it can be seen that the biological signal analysis system 1 of the present embodiment can appropriately restore the 10 Hz sine wave signal.
同様の評価実験を、記録装置10に入力する正弦波信号の周波数を変えて(15Hz、20Hz、25Hz)実施した。図14(B)は、記録装置10に入力する正弦波信号の周波数が15Hzのときの実験結果であり、図14(C)は、記録装置10に入力する正弦波信号の周波数が20Hzのときの実験結果であり、図14(D)は、記録装置10に入力する正弦波信号の周波数が25Hzのときの実験結果である。 A similar evaluation experiment was performed by changing the frequency of the sine wave signal input to the recording apparatus 10 (15 Hz, 20 Hz, 25 Hz). FIG. 14B shows the experimental results when the frequency of the sine wave signal input to the recording apparatus 10 is 15 Hz, and FIG. 14C shows the case where the frequency of the sine wave signal input to the recording apparatus 10 is 20 Hz. FIG. 14D shows the experimental results when the frequency of the sine wave signal input to the recording apparatus 10 is 25 Hz.
また、表1は、10Hz、15Hz、20Hz、25Hzの振幅の最大誤差についてまとめたデータである。表1に示すように、正弦波信号の周波数によらず、正弦波信号を適切に復元できることがわかる。 Table 1 is data that summarizes the maximum error of the amplitude of 10 Hz, 15 Hz, 20 Hz, and 25 Hz. As shown in Table 1, it can be seen that the sine wave signal can be properly restored regardless of the frequency of the sine wave signal.
(評価実験2)
上記の評価実験1では、記録装置10に入力する正弦波信号の周波数を変えて、入力する正弦波信号の入力波形と、復元波形と、を比較した。これに対し、評価実験2では、入力する正弦波信号の位相を変えて、入力する正弦波信号の入力波形と、復元波形と、を比較した。
(Evaluation Experiment 2)
In the evaluation experiment 1 described above, the frequency of the sine wave signal input to the recording apparatus 10 was changed, and the input waveform of the input sine wave signal was compared with the restored waveform. On the other hand, in the evaluation experiment 2, the phase of the input sine wave signal was changed and the input waveform of the input sine wave signal was compared with the restored waveform.
図15(A)は、記録装置10に入力された位相が0°の正弦波信号2周期分の入力波形(破線)と、この入力波形に対し、サンプリング周波数Fspが125Hzのときの記録装置10によって得られるサンプリング波形(鎖線)と、解析装置20による2周期分の復元波形(実線)と、を示す図である。図15(B)は、記録装置10に入力された位相が30°の正弦波信号2周期分の入力波形(破線)と、解析装置20による2周期分の復元波形(実線)と、を示す図である。図15(C)は、記録装置10に入力された位相が60°の正弦波信号2周期分の入力波形(破線)と、解析装置20による2周期分の復元波形(実線)と、を示す図である。 FIG. 15A shows an input waveform (broken line) for two periods of a sine wave signal having a phase of 0 ° input to the recording apparatus 10 and the recording apparatus 10 when the sampling frequency Fsp is 125 Hz with respect to this input waveform. FIG. 6 is a diagram showing a sampling waveform (chain line) obtained by, and a restored waveform (solid line) for two cycles by the analysis device 20. FIG. 15B shows an input waveform (broken line) for two periods of a sine wave signal having a phase of 30 ° input to the recording apparatus 10 and a restored waveform (solid line) for two periods by the analysis apparatus 20. FIG. FIG. 15C shows an input waveform (broken line) for two cycles of a sine wave signal having a phase of 60 ° input to the recording device 10 and a restored waveform (solid line) for two cycles by the analysis device 20. FIG.
図15(A)〜(C)に示すとおり、入力する正弦波信号の位相に関わらず、入力波形と復元波形はほぼ重なる。したがって、本実施形態の生体信号解析システム1では、正弦波信号の位相に関わらず元の正弦波信号を適切に復元できることがわかる。なお、図15(A)〜(C)に示す正弦波信号の周波数はいずれも図14(D)と同様の25Hzとする。 As shown in FIGS. 15A to 15C, the input waveform and the restored waveform almost overlap each other regardless of the phase of the input sine wave signal. Therefore, it can be seen that the biological signal analysis system 1 of the present embodiment can appropriately restore the original sine wave signal regardless of the phase of the sine wave signal. Note that the frequencies of the sine wave signals shown in FIGS. 15A to 15C are all 25 Hz as in FIG.
図16は、入力する正弦波信号を25Hzとしたときの評価実験3の結果についてまとめたデータである。 FIG. 16 shows data summarizing the results of the evaluation experiment 3 when the input sine wave signal is 25 Hz.
図16に示すとおり、入力する正弦波信号の周波数が25Hzの場合、正弦波信号の位相によらず(0°〜80°)、振幅の最大誤差は大きく変化せず、低いことがわかる。 As shown in FIG. 16, when the frequency of the input sine wave signal is 25 Hz, the maximum error in amplitude does not change greatly and is low regardless of the phase of the sine wave signal (0 ° to 80 °).
(評価実験3)
上記の評価実験1、2では、記録装置10に単一周波数の正弦波信号が入力されていた。例えば、評価実験1、2では、3秒間の単一周波数の正弦波信号が入力されていた。
(Evaluation Experiment 3)
In the evaluation experiments 1 and 2 described above, a single frequency sine wave signal was input to the recording apparatus 10. For example, in evaluation experiments 1 and 2, a sine wave signal having a single frequency of 3 seconds was input.
これに対し、評価実験3では、周波数および位相が適当に異なる複数の正弦波信号が複合して形成された波形の信号を記録装置10に入力して、解析装置20による復元波形について評価した。 On the other hand, in the evaluation experiment 3, a signal having a waveform formed by combining a plurality of sine wave signals having different frequencies and phases appropriately was input to the recording device 10 and the restored waveform by the analysis device 20 was evaluated.
具体的には、周波数が3Hz、位相が0°の第1の正弦波信号と、周波数が7Hz、位相が20°の第2の正弦波信号と、周波数が13Hz、位相が50°の第3の正弦波信号と、周波数が19Hz、位相が110°の第4の正弦波信号と、周波数が29Hz、位相が160°の第5の正弦波信号と、が組み合わされて形成される波形の信号が記録装置10に入力される。そして、記録装置10に入力された信号の波形(複合波形)と、解析装置20による復元波形と、を比較した。 Specifically, a first sine wave signal having a frequency of 3 Hz and a phase of 0 °, a second sine wave signal having a frequency of 7 Hz and a phase of 20 °, and a third sine wave having a frequency of 13 Hz and a phase of 50 °. A signal having a waveform formed by combining a sine wave signal having a frequency of 19 Hz and a fourth sine wave signal having a phase of 110 ° and a fifth sine wave signal having a frequency of 29 Hz and a phase of 160 °. Is input to the recording apparatus 10. Then, the waveform (composite waveform) of the signal input to the recording device 10 was compared with the restored waveform by the analysis device 20.
図17は、記録装置10に入力された信号の複合波形(破線)と、この複合波形に対し、サンプリング周波数Fspが125Hzのときの記録装置10によって得られるサンプリング波形(鎖線)と、解析装置20による復元波形(実線)と、を示す図である。解析装置20により、サンプリング波形から復元波形が生成されるが、図17に示すとおり、両波形はほぼ重なっており、振幅の最大誤差は0.191%であった。したがって、本実施形態の生体信号解析システム1では、周波数および位相が異なる複数の正弦波信号が複合形成されてできた波形の信号が入力される場合であっても、適切に復元できることがわかる。また、最大誤差が小さいことから、複合波形以外の周波数成分は、復元波形には生成されていないこともわかる。 FIG. 17 shows a composite waveform (broken line) of a signal input to the recording apparatus 10, a sampling waveform (chain line) obtained by the recording apparatus 10 when the sampling frequency Fsp is 125 Hz, and an analysis apparatus 20 It is a figure which shows the decompression | restoration waveform (solid line) by. The analysis device 20 generates a restored waveform from the sampling waveform. As shown in FIG. 17, both waveforms are almost overlapped, and the maximum amplitude error was 0.191%. Therefore, it can be seen that the biological signal analysis system 1 of the present embodiment can appropriately restore even when a signal having a waveform formed by combining a plurality of sinusoidal signals having different frequencies and phases is input. Further, since the maximum error is small, it can be understood that frequency components other than the composite waveform are not generated in the restored waveform.
(評価実験4)
次に、上記の記録装置10に生体信号として正弦波信号が入力されたときに、解析装置20による復元データの振幅について評価した。
(Evaluation Experiment 4)
Next, when a sine wave signal was input to the recording apparatus 10 as a biological signal, the amplitude of the restored data by the analysis apparatus 20 was evaluated.
具体的には、記録装置10に入力する正弦波信号の周波数を、3秒おきに、1[Hz]〜Fsp/2[Hz]の範囲で変化させて、解析装置20による復元データの1周期ごとの振幅を計測し、その最小値を記録した。 Specifically, the frequency of the sine wave signal input to the recording device 10 is changed within a range of 1 [Hz] to Fsp / 2 [Hz] every 3 seconds, and one cycle of the restored data by the analysis device 20 The amplitude was measured and the minimum value was recorded.
図18(A)は、記録装置10に入力された正弦波信号を、125Hzのサンプリング周波数Fspでサンプリングしたときの復元結果を示す図である。図18(A)には、125Hzのサンプリング周波数Fspでサンプリングして得られたサンプリングデータの振幅(最小値)を示すグラフ(破線)と、そのサンプリングデータから解析装置20による復元データの振幅(最小値)を示すグラフ(実線)が示されている。 FIG. 18A is a diagram showing a restoration result when the sine wave signal input to the recording apparatus 10 is sampled at a sampling frequency Fsp of 125 Hz. FIG. 18A shows a graph (broken line) showing the amplitude (minimum value) of sampling data obtained by sampling at a sampling frequency Fsp of 125 Hz, and the amplitude (minimum) of restoration data from the sampling data by the analysis device 20. Value) is shown in a graph (solid line).
図18(A)に示すように、サンプリングデータの振幅には、入力された正弦波信号の周波数に応じてバラツキがみられる。これに対して、復元データの振幅には、入力された正弦波信号の周波数に応じてバラツキがなく、帯域制限フィルター33の設計値に基づく理想的な結果が得られていることがわかる。特に、復元データでは、振幅の減衰がほとんどない帯域(例えば、減衰が−1dB未満となる帯域とし、「非減衰帯域」とよぶ)の上限周波数が高い。 As shown in FIG. 18A, the amplitude of the sampling data varies depending on the frequency of the input sine wave signal. On the other hand, it can be seen that the amplitude of the restored data does not vary depending on the frequency of the input sine wave signal, and an ideal result based on the design value of the band limiting filter 33 is obtained. In particular, in the restored data, the upper limit frequency of a band in which the amplitude is hardly attenuated (for example, a band in which the attenuation is less than −1 dB and is referred to as “non-attenuated band”) is high.
なお、同様の評価実験を、サンプリング周波数Fspを変えて(100Hz、200Hz、250Hz、500Hz)実施したが、いずれの場合も理想的な結果が得られた(不図示)。 In addition, although the same evaluation experiment was implemented by changing the sampling frequency Fsp (100 Hz, 200 Hz, 250 Hz, 500 Hz), ideal results were obtained in all cases (not shown).
また、図18(B)は、非減衰帯域の上限周波数を、サンプリング周波数Fspを変えて(100Hz、125Hz、200Hz、250Hz、500Hz)プロットしたグラフである。ひし形でプロットされたグラフは、サンプリングデータにかかるグラフであり、正方形でプロットされたグラフは、復元データにかかるグラフである。 FIG. 18B is a graph in which the upper limit frequency of the non-attenuation band is plotted while changing the sampling frequency Fsp (100 Hz, 125 Hz, 200 Hz, 250 Hz, 500 Hz). A graph plotted with diamonds is a graph related to sampling data, and a graph plotted with squares is a graph related to restored data.
図18(B)に示すとおり、サンプリング周波数Fspに関わらず、復元データにかかる非減衰帯域の上限周波数は、サンプリングデータにかかる非減衰帯域の上限周波数よりも2倍ほど高い。したがって、復元データの方がサンプリングデータよりも、広範囲の周波数帯域にわたってサンプリング前の正弦波信号に近いことがわかる。 As shown in FIG. 18B, regardless of the sampling frequency Fsp, the upper limit frequency of the non-attenuation band related to the restored data is about twice as high as the upper limit frequency of the non-attenuation band related to the sampling data. Therefore, it can be seen that the restored data is closer to the sine wave signal before sampling over a wider frequency band than the sampling data.
(評価実験5)
次に、記録装置10に心電信号が入力されたときに、解析装置20による復元データのR波の頂点位置について評価した。
(Evaluation Experiment 5)
Next, when an electrocardiogram signal was input to the recording device 10, the vertex position of the R wave of the restoration data by the analysis device 20 was evaluated.
具体的には、記録装置10に図6の上段に示すような心電信号を入力して、元の心電信号のR波の頂点位置と、解析装置20による復元データのR波の頂点位置と、を比較した。 Specifically, an electrocardiogram signal as shown in the upper part of FIG. 6 is input to the recording device 10, and the apex position of the R wave of the original electrocardiogram signal and the apex position of the R wave of the restored data by the analysis device 20 And compared.
図19は、記録装置10に入力する心電信号のQRS波について、元の心電図の波形(入力波形:ひし形のプロット)と、サンプリングデータの波形(サンプリング波形:三角形のプロット)と、解析装置20による復元データの波形(復元波形:円形のプロット)と、を示す図である。 FIG. 19 shows an original electrocardiogram waveform (input waveform: rhombus plot), sampling data waveform (sampling waveform: triangle plot), and analysis apparatus 20 for the QRS wave of the electrocardiogram signal input to the recording apparatus 10. FIG. 5 is a diagram showing a waveform of restored data by (Restore waveform: circular plot).
図19に示すとおり、入力波形と、復元波形は、ほぼ重なっており、R波の頂点位置のずれ(時間方向のずれ)はないことがわかる。 As shown in FIG. 19, the input waveform and the restored waveform almost overlap each other, and it can be seen that there is no deviation in the apex position (time direction deviation) of the R wave.
なお、同様の評価実験を、QRS波に対するサンプリングの相対位置(三角形のプロット)をずらして実施した。 Note that the same evaluation experiment was carried out by shifting the sampling relative position (triangular plot) with respect to the QRS wave.
図20は、心電信号のQRS波に対するサンプリングの相対位置(三角形のプロット)をずらしたときの、元の心電信号の波形(入力波形)と、サンプリングデータの波形(サンプリング波形)と、復元データの波形(復元波形)と、におけるR波の頂点位置を示す図である。 FIG. 20 shows the waveform of the original ECG signal (input waveform) and the waveform of the sampling data (sampling waveform) when the relative position (triangular plot) of sampling is shifted with respect to the QRS wave of the ECG signal, and restoration. It is a figure which shows the peak position of the R wave in the waveform (restoration waveform) of data.
図20に示すとおり、心電信号のQRS波に対するサンプリングの相対位置を1ミリ秒ずつずらしても、入力波形と、復元波形と、において頂点位置にずれは生じない結果が得られた。 As shown in FIG. 20, even if the relative position of sampling with respect to the QRS wave of the electrocardiogram signal is shifted by 1 millisecond, a result is obtained in which the vertex position is not shifted between the input waveform and the restored waveform.
なお、R波の頂点位置に限らず、心電信号のS波、T波についても、頂点位置にずれは生じない結果が得られた(不図示)。 It should be noted that not only the vertex position of the R wave but also the S wave and T wave of the electrocardiographic signal were obtained with no deviation in the vertex position (not shown).
(評価実験6)
次に、記録装置10に心電信号が入力されたときに、解析装置20による復元データのR波の頂点値について評価した。
(Evaluation Experiment 6)
Next, when an electrocardiogram signal was input to the recording device 10, the vertex value of the R wave of the restored data by the analysis device 20 was evaluated.
具体的には、記録装置10に図6の上段に示すような心電信号を入力して、元の心電信号のR波の頂点値と、サンプリングデータと、解析装置20による復元データのR波の頂点値と、を比較した。 Specifically, an electrocardiogram signal as shown in the upper part of FIG. 6 is input to the recording device 10, and the R wave apex value of the original electrocardiogram signal, the sampling data, and the R data restored by the analysis device 20 The peak value of the wave was compared.
図19に示すとおり、元の心電信号の波形と、復元データの波形は、ほぼ重なっており、R波の頂点値のずれ(振幅方向のずれ)はないことがわかる。 As shown in FIG. 19, the waveform of the original electrocardiogram signal and the waveform of the restored data are almost overlapped, and it can be seen that there is no shift in the peak value of the R wave (shift in the amplitude direction).
なお、同様の評価実験を、QRS波に対するサンプリングの相対位置(三角形のプロット)をずらして実施した。 Note that the same evaluation experiment was carried out by shifting the sampling relative position (triangular plot) with respect to the QRS wave.
図21は、心電信号のQRS波に対するサンプリングの相対位置(三角形のプロット)をずらしたときの、元の心電信号の波形(入力波形)と、サンプリングデータの波形(サンプリング波形)と、復元データの波形(復元波形)と、におけるR波の頂点値と、を示す図である。 FIG. 21 shows the waveform of the original ECG signal (input waveform) and the waveform of the sampling data (sampling waveform) when the relative position of sampling (triangular plot) with respect to the QRS wave of the ECG signal is shifted. It is a figure which shows the waveform (restoration waveform) of data, and the vertex value of R wave in.
図21に示すとおり、心電信号のQRS波に対するサンプリングの相対位置を1ミリ秒ずつずらしても、入力波形と、復元波形と、においてR波の頂点値(mV)にずれはほとんど生じていない結果が得られた。 As shown in FIG. 21, even when the sampling relative position of the electrocardiographic signal to the QRS wave is shifted by 1 millisecond, there is almost no shift in the peak value (mV) of the R wave between the input waveform and the restored waveform. Results were obtained.
なお、R波の頂点値に限らず、心電信号のS波、T波についても、頂点値にずれはほとんど生じない結果が得られた(不図示)。 It should be noted that not only the peak value of the R wave but also the S wave and T wave of the electrocardiographic signal were obtained with almost no deviation in the peak value (not shown).
(評価実験7)
次に、記録装置10に心電信号が入力されたときに、解析装置20による復元データのR波の間隔について評価した。
(Evaluation Experiment 7)
Next, when an electrocardiogram signal was input to the recording device 10, the R wave interval of the restored data by the analysis device 20 was evaluated.
具体的には、記録装置10に図6の上段に示すような心電信号を入力して、元の心電信号の波形(入力波形)のR波の間隔と、解析装置20による復元データの波形(復元波形)のR波の間隔と、を比較した。 Specifically, an electrocardiogram signal as shown in the upper part of FIG. 6 is input to the recording device 10, and the R wave interval of the waveform (input waveform) of the original electrocardiogram signal and the restoration data by the analysis device 20 are displayed. The R wave interval of the waveform (restored waveform) was compared.
図22は、記録装置10に入力波形におけるR波の間隔(破線)と、復元波形におけるR波の間隔(実線)と、を示す図である。 FIG. 22 is a diagram illustrating the R wave interval (broken line) in the input waveform and the R wave interval (solid line) in the restored waveform in the recording apparatus 10.
図22に示すとおり、入力波形におけるR波の間隔と、復元波形におけるR波の間隔は、ほぼ重なって変化しており、R波の間隔にずれはないことがわかる。 As shown in FIG. 22, it can be seen that the interval between the R waves in the input waveform and the interval between the R waves in the restored waveform are substantially overlapped and there is no deviation in the interval between the R waves.
<理論的背景>
上記の各評価実験1〜4では、記録装置10に正弦波信号を入力したときの実験結果を示している。正弦波信号の周波数や位相の値も限られているが、本発明は、上記例のような正弦波信号に限らず、どのような信号を記録装置10に入力しても同様の結果が得られる。このことは、以下の考察に基づく。
<Theoretical background>
In each of the above-described evaluation experiments 1 to 4, experimental results when a sine wave signal is input to the recording apparatus 10 are shown. Although the frequency and phase values of the sine wave signal are limited, the present invention is not limited to the sine wave signal as in the above example, and the same result can be obtained no matter what signal is input to the recording apparatus 10. It is done. This is based on the following considerations.
つまり、あらゆる周期関数(上記実施形態の生体信号を含む)は、フーリエ級数展開によって、正弦関数および余弦関数の和で表すことができる。仮に、周期関数に含まれる周波数成分が有限であると規定できる場合、展開される正弦関数および余弦関数も有限な周波数の範囲に限定される。そして、サンプリング定理を満たす高域遮断が施されて離散化された周期関数については、固有の振幅特性を有することになるが、周期情報を適切に保持することが可能といえる。 That is, any periodic function (including the biological signal of the above embodiment) can be expressed as a sum of a sine function and a cosine function by Fourier series expansion. If the frequency component included in the periodic function can be defined as finite, the developed sine function and cosine function are also limited to a finite frequency range. A periodic function that has been discretized by performing high-frequency cutoff that satisfies the sampling theorem has inherent amplitude characteristics, but it can be said that periodic information can be retained appropriately.
以上のことから、上記実施形態のような帯域制限フィルター33により高域遮断された波形の生体信号については、遮断された周波数以下の領域で、正弦関数および余弦関数の和で表すことができる。 From the above, a biological signal having a waveform that has been cut off at high frequencies by the band limiting filter 33 as in the above embodiment can be expressed by the sum of a sine function and a cosine function in a region below the cut off frequency.
そして、上記の各評価実験から、有限周波数の離散化した所定周波数の正弦関数および余弦関数が、スプライン補間により、復元できると言える。このとき、所定周波数以外の周波数成分をもった正弦関数および余弦関数はほとんど生成されない。このため、この復元波形を、フーリエ級数展開の係数算出に当てはめることで、復元波形を用いる形で、フーリエ級数展開を適切に表現することができる。これは、有限周波数における復元波形による適切な波形再現の根拠となる。 From each of the above evaluation experiments, it can be said that the sine function and cosine function having a predetermined frequency and having a finite frequency discretized can be restored by spline interpolation. At this time, a sine function and a cosine function having frequency components other than the predetermined frequency are hardly generated. For this reason, by applying this restored waveform to the coefficient calculation of Fourier series expansion, the Fourier series expansion can be appropriately expressed in the form of using the restored waveform. This is the basis for proper waveform reproduction using a restored waveform at a finite frequency.
<変形例>
また、上記の実施形態は、本発明の要旨を例示することを意図し、本発明を限定するものではない。多くの代替物、修正、変形例は当業者にとって明らかである。
<Modification>
Moreover, said embodiment intends to illustrate the summary of this invention, and does not limit this invention. Many alternatives, modifications, and variations will be apparent to those skilled in the art.
例えば、上記実施形態では、記録装置10と解析装置20を別個の装置として記載しているが、これに限らない。例えば、記録装置10と解析装置20を一体化した装置としてもよい。また、上記実施形態において解析装置20により実行されていた一部の処理は、記録装置10に実行させてもよい。また、上記実施形態において記録装置10で実行されていた一部の処理を解析装置20に実行させてもよい。 For example, in the above embodiment, the recording device 10 and the analysis device 20 are described as separate devices, but this is not a limitation. For example, the recording apparatus 10 and the analysis apparatus 20 may be integrated. In addition, some processing that has been executed by the analysis apparatus 20 in the above-described embodiment may be executed by the recording apparatus 10. Moreover, you may make the analysis apparatus 20 perform some processes currently performed with the recording device 10 in the said embodiment.
また、上記実施形態では、ステップS102の帯域圧縮に「Kaiser Filter」を用いているが、これに限らない。 In the above embodiment, “Kaiser Filter” is used for the band compression in step S102, but the present invention is not limited to this.
また、上記実施形態では、数式(1)のような3次関数のスプライン補間関数を用いているが、これに限らず、より高次のスプライン補間関数を用いてもよい。また、スプライン補間関数の係数ai、bi、ci、diを求める際に用いた条件1〜3の一部を変更してもよい。 In the above embodiment, a cubic spline interpolation function such as Equation (1) is used. However, the present invention is not limited to this, and a higher order spline interpolation function may be used. The coefficient a i of the spline interpolating function, b i, c i, may change some conditions 1-3 was used in obtaining the d i.
また、上記実施形態では、ステップS203において、各スプライン補間関数上に補間点を等間隔に追加しているが、これに限らず、例えば、補間点の値163に応じて補間点の間隔を変更してもよい。 In the above embodiment, interpolation points are added at regular intervals on each spline interpolation function in step S203. However, the present invention is not limited to this. May be.
また、上記実施形態では、生体信号の例として心電信号を説明しているが、これに限らない。例えば、筋電信号、脳波、神経細胞の膜電位などであってもよい。また、処理対象として、生体信号以外の信号が扱われてもよい。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the electrocardiogram signal as an example of a biomedical signal, it is not restricted to this. For example, it may be a myoelectric signal, an electroencephalogram, or a membrane potential of a nerve cell. Moreover, signals other than biological signals may be handled as the processing target.
また、上記実施形態では、ステップS202のスプライン補間処理において、解析装置20は、サンプリングデータ150に含まれる標本点から、局所的に複数の標本点を選択している。このとき選択する標本点の個数は、偶数個であることが好ましいが、これに限らない。また、6個より多くてもよい。 In the above embodiment, in the spline interpolation processing in step S <b> 202, the analysis apparatus 20 locally selects a plurality of sample points from the sample points included in the sampling data 150. The number of sample points to be selected at this time is preferably an even number, but is not limited thereto. Moreover, it may be more than six.
また、上記実施形態では、サンプリング周波数Fspを125Hzとし、補間点が追加された後の生体信号データのリサンプリング周波数Fbを1000Hzとして説明している。しかし、本発明は、これに限らず、生体信号データのリサンプリング周波数Fbを2000Hz等としてもよい。 In the above embodiment, the sampling frequency Fsp is 125 Hz, and the re-sampling frequency Fb of the biological signal data after the interpolation point is added is 1000 Hz. However, the present invention is not limited to this, and the re-sampling frequency Fb of the biological signal data may be 2000 Hz or the like.
また、上記実施形態では、接続I/F31により入力された生体信号は、増幅器によって増幅されて、A/D変換器32へと供給される。しかし、本発明は、これに限らず、A/D変換器32に生体信号を供給する前に、アナログフィルター(たとえば、バターワースフィルター)によって生体信号に含まれている雑音(たとえば、高周波成分)を除去してもよい。 In the above embodiment, the biological signal input through the connection I / F 31 is amplified by the amplifier and supplied to the A / D converter 32. However, the present invention is not limited to this, and before supplying a biological signal to the A / D converter 32, noise (for example, a high frequency component) included in the biological signal by an analog filter (for example, a Butterworth filter) is removed. It may be removed.
また、上記実施形態では、帯域制限フィルター33としてデジタルフィルターを用いる例が説明されている。しかし、本発明は、これに限らず、帯域制限フィルター33にアナログフィルターを採用してもよい。ただし、アナログフィルターを採用する場合には、接続I/F31とA/D変換器32の間に帯域制限フィルター33を配置する必要がある。 In the above embodiment, an example in which a digital filter is used as the band limiting filter 33 is described. However, the present invention is not limited to this, and an analog filter may be adopted as the band limiting filter 33. However, when an analog filter is employed, it is necessary to arrange a band limiting filter 33 between the connection I / F 31 and the A / D converter 32.
以上の生体信号解析システム1の構成は、上記の実施形態の特徴を説明するにあたって主要構成を説明したのであって、上記の構成に限られない。また、一般的な生体信号解析システム1が備える構成を排除するものではない。 The configuration of the biological signal analysis system 1 described above is not limited to the above-described configuration because the main configuration has been described in describing the features of the above-described embodiment. In addition, the configuration of the general biological signal analysis system 1 is not excluded.
また、上記した生体信号解析システム1の各機能構成は、各機能構成を理解容易にするために、主な処理内容に応じて分類したものである。構成要素の分類の仕方や名称によって、本願発明が制限されることはない。各機能構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、1つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。 In addition, each functional configuration of the biological signal analysis system 1 described above is classified according to main processing contents in order to facilitate understanding of each functional configuration. The present invention is not limited by the way of classification and names of the constituent elements. Each functional configuration can be classified into more components according to the processing content. Moreover, it can also classify | categorize so that one component may perform more processes.
また、生体信号解析システム1を動作させるプログラムは、USBメモリー、フロッピー(登録商標)ディスク、CD−ROM等のコンピューター読み取り可能な記録媒体によって提供されてもよいし、インターネット等のネットワークを介してオンラインで提供されてもよい。この場合、コンピューター読み取り可能な記録媒体に記録されたプログラムは、通常、メモリー(35、42)やストレージ(36、43)等に転送され記憶される。また、このプログラムは、例えば、単独のアプリケーションソフトとして提供されてもよいし、生体信号解析システム1の一機能としてその各装置のソフトウェアに組み込んでもよい。 The program for operating the biological signal analysis system 1 may be provided by a computer-readable recording medium such as a USB memory, a floppy (registered trademark) disk, a CD-ROM, or online via a network such as the Internet. May be provided in In this case, the program recorded on the computer-readable recording medium is usually transferred to and stored in the memory (35, 42), the storage (36, 43) or the like. Further, this program may be provided as, for example, a single application software, or may be incorporated in the software of each device as one function of the biological signal analysis system 1.
また、上記の各構成要素の処理は、専用のハードウェア回路によっても実現することもできる。この場合には、1つのハードウェアで実行されてもよいし、複数のハードウェアで実行されてもよい。 The processing of each component described above can also be realized by a dedicated hardware circuit. In this case, it may be executed by one hardware or a plurality of hardware.
1 生体信号解析システム、
10 記録装置、
11 電極、
12 制御装置(記録装置)、
13 外部メモリー、
20 解析装置、
21 制御装置(解析装置)、
22 表示装置、
23 入力装置、
31 接続I/F、
32 A/D変換器、
33 帯域制限フィルター、
34 CPU(記録装置)、
35 メモリー(記録装置)、
36 ストレージ(記録装置)、
37 外部メモリースロット(記録装置)、
38 通信I/F(記録装置)、
41 CPU(解析装置)、
42 メモリー(解析装置)、
43 ストレージ(解析装置)、
44 外部メモリースロット(解析装置)、
45 通信I/F(解析装置)、
51 生体信号入力部、
52 帯域圧縮部、
53 サンプリング部、
54 サンプリングデータ保存部、
61 取得部、
62 補間部、
63 アップアンプリング部、
64 復元データ保存部、
150 サンプリングデータ、
160 復元データ。
1 biological signal analysis system,
10 recording device,
11 electrodes,
12 Control device (recording device),
13 External memory,
20 analysis equipment,
21 Control device (analysis device),
22 display device,
23 input devices,
31 Connection I / F,
32 A / D converter,
33 Band-limiting filter,
34 CPU (recording device),
35 memory (recording device),
36 storage (recording device),
37 External memory slot (recording device),
38 Communication I / F (recording device),
41 CPU (analysis device),
42 Memory (analysis device),
43 Storage (analysis device),
44 External memory slot (analysis device),
45 Communication I / F (analysis device),
51 biological signal input unit,
52 band compression unit,
53 Sampling unit,
54 Sampling data storage unit,
61 Acquisition Department,
62 Interpolator,
63 Up-ampling section,
64 Restored data storage unit,
150 sampling data,
160 Restored data.
Claims (16)
前記生体信号から所定値以上の高周波成分を除去して、当該生体信号を帯域圧縮する圧縮部と、
圧縮された前記生体信号から、所定のサンプリング周波数より標本点を取得し、複数の標本点から構成されるサンプリングデータを生成するサンプリング部と、
スプライン補間により前記標本点間に複数の補間点を追加して、前記サンプリングデータから、より高い時間分解能の生体信号データを復元するアップサンプリング部と、
を有する生体信号処理装置。 A detection unit for detecting a biological signal from a living body;
A compression unit that removes high-frequency components of a predetermined value or more from the biological signal and band-compresses the biological signal;
A sampling unit that obtains sample points from a predetermined sampling frequency from the compressed biological signal, and generates sampling data composed of a plurality of sample points;
An up-sampling unit that adds a plurality of interpolation points between the sample points by spline interpolation and restores biological signal data with higher temporal resolution from the sampling data;
A biological signal processing apparatus.
前記生体信号から所定値以上の高周波成分を除去して、当該生体信号を帯域圧縮する圧縮ステップと、
圧縮された前記生体信号から、所定のサンプリング周波数により標本点を取得し、複数の標本点から構成されるサンプリングデータを生成するサンプリングステップと、
スプライン補間により前記標本点間に複数の補間点を追加して、前記サンプリングデータから、より高い時間分解能の生体信号データを復元するアップサンプリングステップと、を行う生体信号処理方法。 A detection step of detecting a biological signal from the living body;
A compression step of removing a high-frequency component of a predetermined value or more from the biological signal and band-compressing the biological signal;
A sampling step for obtaining a sampling point at a predetermined sampling frequency from the compressed biological signal and generating sampling data composed of a plurality of sampling points;
A biological signal processing method for performing an up-sampling step of adding a plurality of interpolation points between the sample points by spline interpolation and restoring biological signal data with higher temporal resolution from the sampling data.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012283427A JP2014124345A (en) | 2012-12-26 | 2012-12-26 | Biosignal processor and biosignal processing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012283427A JP2014124345A (en) | 2012-12-26 | 2012-12-26 | Biosignal processor and biosignal processing method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2014124345A true JP2014124345A (en) | 2014-07-07 |
Family
ID=51404362
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2012283427A Pending JP2014124345A (en) | 2012-12-26 | 2012-12-26 | Biosignal processor and biosignal processing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2014124345A (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016024495A1 (en) * | 2014-08-11 | 2016-02-18 | 日本電信電話株式会社 | Biological-signal measurement system, biological-information measurement device, and method for changing biological-information extraction algorithm |
| JP2016111385A (en) * | 2014-12-02 | 2016-06-20 | 日本電信電話株式会社 | Transmitter, receiver, visible light communication system, and method and program for the same |
| JP2019016002A (en) * | 2017-07-03 | 2019-01-31 | Sldj合同会社 | Data interpolation apparatus and data interpolation method |
| JP2020022581A (en) * | 2018-08-06 | 2020-02-13 | 哲生 畑中 | ECG analysis system |
| CN111345807A (en) * | 2018-12-21 | 2020-06-30 | 四川锦江电子科技有限公司 | Electrocardiographic waveform drawing method, module and device |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006271897A (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Toshiba Corp | Drowsiness prediction apparatus and method |
| JP2008237882A (en) * | 2007-01-11 | 2008-10-09 | Biosense Webster Inc | Automatic pace mapping to identify cardiac arrhythmia conduction pathways and lesions |
| JP2010535047A (en) * | 2007-07-30 | 2010-11-18 | オックスフォード バイオシグナルズ リミテッド | Method and apparatus for measuring respiratory rate |
-
2012
- 2012-12-26 JP JP2012283427A patent/JP2014124345A/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006271897A (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Toshiba Corp | Drowsiness prediction apparatus and method |
| JP2008237882A (en) * | 2007-01-11 | 2008-10-09 | Biosense Webster Inc | Automatic pace mapping to identify cardiac arrhythmia conduction pathways and lesions |
| JP2010535047A (en) * | 2007-07-30 | 2010-11-18 | オックスフォード バイオシグナルズ リミテッド | Method and apparatus for measuring respiratory rate |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016024495A1 (en) * | 2014-08-11 | 2016-02-18 | 日本電信電話株式会社 | Biological-signal measurement system, biological-information measurement device, and method for changing biological-information extraction algorithm |
| CN106659411A (en) * | 2014-08-11 | 2017-05-10 | 日本电信电话株式会社 | Biological-signal measurement system, biological-information measurement device, and method for changing biological-information extraction algorithm |
| JPWO2016024495A1 (en) * | 2014-08-11 | 2017-06-01 | 日本電信電話株式会社 | Biological signal measuring system, biological information measuring apparatus, and biological information extraction algorithm changing method |
| TWI602544B (en) * | 2014-08-11 | 2017-10-21 | Nippon Telegraph & Telephone | Biological signal measuring system, biological information measuring device and change method of biological information extraction algorithm |
| EP3181042A4 (en) * | 2014-08-11 | 2018-08-01 | Nippon Telegraph and Telephone Corporation | Biological-signal measurement system, biological-information measurement device, and method for changing biological-information extraction algorithm |
| US10881315B2 (en) | 2014-08-11 | 2021-01-05 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Biological signal measurement system, biological information measurement apparatus, and biological information extraction algorithm changing method |
| JP2016111385A (en) * | 2014-12-02 | 2016-06-20 | 日本電信電話株式会社 | Transmitter, receiver, visible light communication system, and method and program for the same |
| JP2019016002A (en) * | 2017-07-03 | 2019-01-31 | Sldj合同会社 | Data interpolation apparatus and data interpolation method |
| JP2020022581A (en) * | 2018-08-06 | 2020-02-13 | 哲生 畑中 | ECG analysis system |
| CN111345807A (en) * | 2018-12-21 | 2020-06-30 | 四川锦江电子科技有限公司 | Electrocardiographic waveform drawing method, module and device |
| CN111345807B (en) * | 2018-12-21 | 2022-08-09 | 四川锦江电子科技有限公司 | Electrocardiographic waveform drawing method, module and device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2014124345A (en) | Biosignal processor and biosignal processing method | |
| JP6230607B2 (en) | RR interval measurement using multirate ECG processing | |
| US9986951B1 (en) | Low-distortion ECG denoising | |
| WO2007133920A2 (en) | Method and system for real-time digital filtering for electrophysiological and hemodynamic amplifiers | |
| CN115429251A (en) | Wearable device and its monitoring method and monitoring device | |
| US10772570B2 (en) | Non?invasive prediction of risk for sudden cardiac death | |
| Cuomo et al. | A novel O (n) numerical scheme for ECG signal denoising | |
| WO2017148451A1 (en) | Smooth wavelet transform-based method and system for filtering out electromyography interference | |
| AU2017430855B2 (en) | Control method and system for filtering out working frequency interference signal | |
| WO2021217873A1 (en) | Method, apparatus and device for filtering out baseline drift from electrocardiosignal, and storage medium | |
| JP2019093096A (en) | Ecg signal parallel analysis apparatus and method, and mobile terminal | |
| CN110420022B (en) | P wave detection method based on dual-density wavelet transform | |
| CN106725415B (en) | Method and device for processing electrophysiological signals | |
| Milchevski et al. | Improved pipelined wavelet implementation for filtering ECG signals | |
| Patro et al. | A novel frequency-time based approach for the detection of characteristic waves in electrocardiogram signal | |
| JP7439599B2 (en) | Information processing device and noise reduction method | |
| JPH11128185A (en) | Heart rate variability analysis method and apparatus | |
| Zheng et al. | Single-lead fetal electrocardiogram estimation by means of combining R-peak detection, resampling and comb filter | |
| Chandramouleeswaran et al. | Wavelet diagnosis of ECG signals with kaiser based noise diminution | |
| CN113616217B (en) | Method and device for generating baseline drift curve | |
| CN113876332B (en) | Electrocardiosignal monitoring device and method | |
| JP2016178994A (en) | Cardiac magnetic field analysis device, cardiac magnetic field analysis system, and cardiac magnetic field analysis method | |
| Smolarik et al. | Non-contact ECG signal processing | |
| Mihov | Subtraction procedure for removing powerline interference from ECG: Dynamic threshold linearity criterion for interference suppression | |
| Vityazeva et al. | Accuracy Loss in Multi-Rate Processing of Biomedical Signals |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150310 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160122 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160301 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20160920 |