(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体信号の基線動揺および／またはノイズを抑制する生体信号処理装置であって、
生体信号を取得する取得手段と、
前記生体信号にモフォロジーフィルタを適用するフィルタ処理手段と、
前記モフォロジーフィルタの構造要素長を決定する決定手段と、
前記決定手段が決定した構造要素長を用いて前記フィルタ処理手段が前記モフォロジーフィルタを適用した生体信号を、前記モフォロジーフィルタを適用する前の生体信号から減算して出力する出力手段と、を有し、
前記決定手段は、前記構造要素長を動的に決定することを特徴とする生体信号処理装置。
【請求項２】
前記決定手段は、同じ生体信号について得られる、複数の異なる構造要素長と前記減算の結果との関係に基づいて前記構造要素長を決定することを特徴とする請求項１記載の生体信号処理装置。
【請求項３】
前記フィルタ処理手段が、前記生体信号の予め定められた単位ごとに前記モフォロジーフィルタを適用し、
前記決定手段が、前記単位ごとの前記減算の結果と、対応する前記構造要素長との関係に基づいて、前記構造要素長を決定することを特徴とする請求項２記載の生体信号処理装置。
【請求項４】
前記生体信号が周期性を有し、前記単位が、前記生体信号の周期に基づくことを特徴とする請求項３に記載の生体信号処理装置。
【請求項５】
前記生体信号を前記単位の連続する複数について平均した平均信号を生成する平均手段をさらに有し、
前記決定手段は、前記平均信号に対して得られる前記減算の結果と前記構造要素長との関係に基づいて前記構造要素長を決定することを特徴とする請求項３または４に記載の生体信号処理装置。
【請求項６】
前記決定手段は、前記減算の結果の変化が所定範囲内である構造要素長の区間に基づいて前記構造要素長を決定することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の生体信号処理装置。
【請求項７】
前記決定手段は、前記区間が複数検出された場合、最も短い構造要素長に対応する区間と次に短い構造要素長に対応する区間に対応する前記減算の結果の差分が閾値を超えるか否かを判定し、前記閾値を超えない場合には前記最も短い構造要素長に対応する区間に基づいて前記構造要素長を決定し、前記閾値を超える場合には前記次に短い構造要素長に対応する区間に基づいて前記構造要素長を決定することを特徴とする請求項６記載の生体信号処理装置。
【請求項８】
前記生体信号のうち、前記決定手段が直近に前記構造要素長を決定した単位と次の単位との相関が予め定めた閾値を満たす場合、前記次の単位に対しては前記決定手段が直近に決定した前記構造要素長を用いることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の生体信号処理装置。
【請求項９】
前記生体信号のうち、前記決定手段が直近に決定した前記構造要素長を用いて得られた前記減算の結果が予め定めた閾値未満の場合、前記直近に決定した前記構造要素長を変更しないことを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の生体信号処理装置。
【請求項１０】
前記決定手段により前記構造要素長を決定する間に得られる前記減算の結果は前記構造要素長の決定に用いられ、前記決定手段によって決定された前記構造要素長に対応する前記減算の結果が、前記生体信号の基線動揺および／またはノイズを抑制した結果として用いられることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の生体信号処理装置。
【請求項１１】
前記モフォロジーフィルタが、オープニングフィルタとクロージングフィルタとから構成され、前記決定手段が、前記オープニングフィルタの構造要素長を決定した後、前記クロージングフィルタの構造要素長を決定することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の生体信号処理装置。
【請求項１２】
生体信号にモフォロジーフィルタを適用するフィルタ処理手段を有し、生体信号の基線動揺および／またはノイズを抑制する生体信号処理装置の制御方法であって、
生体信号を取得する取得工程と、
前記モフォロジーフィルタの構造要素長を決定する決定工程と、
前記決定工程が決定した構造要素長を用いて前記フィルタ処理手段が前記モフォロジーフィルタを適用した生体信号を、前記モフォロジーフィルタを適用する前の生体信号から減算して出力する出力工程と、を有し、
前記決定工程は、前記構造要素長を動的に決定することを特徴とする生体信号処理装置の制御方法。
【請求項１３】
コンピュータに、請求項１から１０のいずれか１項に記載の生体信号処理装置が有する各手段の機能を実現させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は生体信号処理装置およびその制御方法に関し、特には生体信号に重畳したアーチファクトを減少させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば心電（ＥＣＧ）信号、脈波信号、ＳｐＯ２信号、筋電信号のような生体信号を測定した場合、測定された生体信号には体動によるオフセットや外来ノイズなど（アーチファクト）が重畳している場合がある。そのため、解析などを行う前に、生体信号に重畳したアーチファクトの低減処理が行われる。
【０００３】
この低減処理では、生体信号にアーチファクトを低減する特性を有するフィルタを適用するのが一般的である。フィルタには、アーチファクトを低減するだけでなく、生体信号の特徴を損なわないことも要求される。この２つの要求を満たすべく、特許文献１では、遅延対称ＦＩＲフィルタを用いる構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−６５９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＦＩＲフィルタは線形フィルタであり、生体信号の周波数帯域と重複する周波数のアーチファクトを低減しようとすると生体信号を歪ませてしまうという問題があった。これは線形フィルタの原理的な特性であり、回避することはできない。従って、生体信号を歪ませないことを優先するか、生体信号の周波数帯域と重複する周波数のアーチファクトの低減を優先するかを選択せざるを得なかった。
【０００６】
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みなされたものであり、生体信号の周波数帯域と重複する周波数のアーチファクトの低減と、生体信号の歪み抑制とを両立できる生体信号処理装置およびその制御方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的は、生体信号の基線動揺および／またはノイズを抑制する生体信号処理装置であって、生体信号を取得する取得手段と、生体信号にモフォロジーフィルタを適用するフィルタ処理手段と、モフォロジーフィルタの構造要素長を決定する決定手段と、決定手段が決定した構造要素長を用いてフィルタ処理手段がモフォロジーフィルタを適用した生体信号を、モフォロジーフィルタを適用する前の生体信号から減算して出力する出力手段と、を有し、決定手段は、構造要素長を動的に決定することを特徴とする生体信号処理装置によって達成される。
【発明の効果】
【０００８】
以上の構成により、本発明によれば、生体信号の周波数帯域と重複する周波数のアーチファクトの低減と、生体信号の歪み抑制とを両立できる生体信号処理装置およびその制御方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る生体信号処理装置の機能構成例を示すブロック図である。
【図２】実施形態に係る生体信号処理装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２における構造要素長決定処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
【図４】構造要素長の決定方法の具体例を説明するための模式図である。
【図５】実施形態と従来例に係るフィルタによる波形歪みの比較評価結果を示す図である。
【図６】箱ひげ図の意味を説明するための模式図である。
【図７】実施形態と従来例に係るフィルタによる波形歪みの比較評価結果を示す図である。
【図８】実施形態と従来例に係るフィルタによる波形歪みの比較評価結果を示す図である。
【図９】実施形態と従来例に係るフィルタによる基線動揺抑制効果の比較評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の例示的な実施形態について詳細に説明する。
●（生体信号処理装置の構成）
図１は、本発明の実施形態に係る生体信号処理装置１００の機能構成例を示すブロック図である。なお、本実施形態の生体信号処理装置１００は生体信号の測定、記録機能を有しておらず、予め他の装置で測定、記録された生体信号に対して処理を行うものとする。しかし、本実施形態の生体信号処理装置１００が生体信号を測定したり記録したりする装置の一部であってもよい。この場合、処理能力等の条件が許せば、生体信号の測定および／または記録と並行して以下の処理を行ってもよい。
【００１１】
記憶装置１９０は、予め測定された生体信号を保持する装置であり、例えば内蔵された不揮発性メモリ、ＳＳＤ、ハードディスクドライブ等や、メモリカードやＵＳＢメモリのような着脱可能な記憶装置であってよい。記憶装置１９０は生体信号処理装置１００に内蔵されていなくてもよく、例えばネットワーク上のサーバなど、生体信号処理装置１００が生体信号を取得可能であれば、装置の構成や場所は任意である。
【００１２】
Ｉ／Ｆ部１２０は記憶装置１９０から生体信号を取得するためのインターフェースであり、記憶装置１９０の種類に応じた構成を有する。例えば記憶装置１９０がネットワーク上の装置であればネットワークインターフェイスであり、記憶装置１９０がメモリカードであればカードリーダであり、記憶装置１９０が外付けのハードディスクドライブであればＵＳＢ等のインターフェースである。
【００１３】
バッファメモリ１３０はＩ／Ｆ部１２０を通じて記憶装置１９０から取得した生体信号を一時的に記憶する。バッファメモリ１３０は揮発性もしくは不揮発性の半導体メモリであってもよいし、ハードディスクドライブのような大容量の記憶装置であってもよい。
【００１４】
平均波形算出部１４０は、バッファメモリ１３０に記憶されている生体信号を所定期間にわたって平均して平均信号（平均波形）を算出し、フィルタ処理部１５０に供給する。平均波形算出部１４０は必須ではないが、平均波形算出部１４０があると、フィルタ処理部１５０が生体信号に適用するフィルタのパラメータを精度良く決定する上で有利である。
【００１５】
フィルタ処理部１５０はバッファメモリ１３０に記憶されている生体信号に、構造要素長決定部１６０が決定した長さの構造要素を用いたモフォロジーフィルタ処理を適用し、生体信号に重畳したアーチファクト成分の推定信号を生成する。フィルタ処理部１５０でフィルタ処理した生体信号は、構造要素長決定部１６０、減算器１７０、および減算器１８０に出力される。モフォロジーフィルタ処理の詳細については後述する。
【００１６】
構造要素長決定部１６０は、フィルタ処理部１５０が生体信号に適用するモフォロジーフィルタで用いるべき構造要素長を、フィルタ処理部１５０でフィルタ処理された生体信号と元の生体信号とに基づいて決定する。構造要素長決定部１６０は、決定した構造要素長をフィルタ処理部１５０に設定する。構造要素長の決定方法の詳細については後述する。
【００１７】
また、減算器１７０は、バッファメモリ１３０の出力と、フィルタ処理部１５０の出力との差分を求める。減算器１７０により、生体信号の同一区間について、フィルタ処理前とフィルタ処理後の差分信号が得られる。減算器１７０の出力はＩ／Ｆ部１２０を通じて記憶装置１９０に出力されたり、生体信号処理装置１００内で保存もしくは記録されたりする。
【００１８】
減算器１８０は、平均波形算出部１４０の出力と、フィルタ処理部１５０の出力との差分を求める。減算器１８０により、生体信号の同一区間について、平均信号とフィルタ処理後の信号との差分信号が得られる。減算器１８０の出力は構造要素長決定部１６０に供給され、構造要素長の決定処理に用いられる。
【００１９】
制御部１１０は例えばＭＰＵのようなプログラマブルプロセッサである。不揮発性メモリに記憶された制御プログラムを揮発性メモリに展開して実行し、他の機能ブロックの動作を制御することにより、後述する処理を始めとした生体信号処理装置１００の処理全体を制御ならびに管理する。なお、平均波形算出部１４０、フィルタ処理部１５０、および構造要素長決定部１６０の少なくとも一部を、制御部１１０がソフトウェアを実行することにより実現してもよい。
【００２０】
なお、図１には記載していないが、生体信号処理装置１００はユーザが各種の指示や設定を入力するための操作部や、生体信号処理装置１００の動作状態や各種情報を表示するための表示部などを有してもよい。操作部はスイッチ、ボタン、キーボード、マウス、タッチパネル等の入力デバイスの１つ以上を備え、表示部は液晶表示装置（ＬＣＤ）やＬＥＤなどを備えてよい。
【００２１】
●（全体動作）
図２は、本実施形態の生体信号処理装置１００の全体的な動作を示すフローチャートである。
Ｓ１０１で制御部１１０は、処理対象の生体信号が記録されたデータファイルをＩ／Ｆ部１２０を通じて記憶装置１９０から取得する。なお、ここで取得するのはデータファイルの全体であっても一部であってもよく、取得量は例えばバッファメモリ１３０の空き容量とデータファイルの大きさとに応じて制御部１１０が適宜決定すればよい。Ｓ１０１で取得するデータファイルは、例えば操作部を通じてユーザから指定されたものであってもよいし、記憶装置１９０に存在するデータファイルから、予め定められた条件によって制御部１１０が自動的に決定したものであってもよい。予め定められた条件とは、例えばファイル名（または拡張子）や作成日時に関するものであってよい。
【００２２】
Ｓ１０３で制御部１１０は、Ｓ１０１で取得したデータファイルに含まれる生体信号をバッファメモリ１３０に記憶（格納）する。なお、生体信号は予め定められた条件（ビット数およびサンプリングレート）でＡ／Ｄ変換されたデジタルデータとしてデータファイルに記録されているものとする。
【００２３】
Ｓ１０５で制御部１１０は平均波形算出部１４０に対し、平均波形算出処理の開始を指示する。平均波形算出部１４０は、バッファメモリ１３０に記憶された生体信号のうち、古い方から予め定められた連続する複数周期分、あるいは所定時間分を切り出し、平均することにより、平均波形（平均信号）を生成する。例えば生体信号が心電図信号のように周期性を有する場合、平均波形算出部１４０は予め設定されている条件に基づいて生体信号の周期を判別し、１周期ごとの生体信号に分割してから各周期の生体信号を加算平均して平均波形を算出する。周期性を有する生体信号の場合、平均波形算出部１４０は特定の特徴点を基準として位置合わせして加算したのち平均波形を算出する。特徴点は例えば心電信号であればＲ波のピークであってよい。周期性のない生体信号の場合、所定時間を１周期として平均波形を算出すればよい。
【００２４】
なお、平均波形算出部１４０は、１周期ごとに分割した生体信号のうち、最も古いものを除いて内部で記憶しておき、次に平均波形を算出する際に再利用してもよい。この場合、次に平均波形を算出する際、平均波形算出部１４０は、バッファメモリ１３０から平均波形の算出に用いられていない最新の１周期分の生体信号を読み込み、記憶されている生体信号との平均波形を算出する。
【００２５】
例えば、６周期分の平均波形を生成する場合、最初に１〜６周期目の生体信号の平均波形を生成した際、２〜６周期目の生体信号を記憶しておく。次に平均波形を算出する際にはバッファメモリ１３０から７周期目の生体信号を読み出し、記憶していた２〜６周期目の生体信号とともに平均波形を算出したら、２周期目の生体信号を破棄し、３〜７周期目の生体信号を記憶する。以後同様にして、１周期分の生体信号をバッファメモリ１３０から読み出し、記憶されている５周期分との平均信号を算出したら、最も古い周期の生体信号をバッファメモリ１３０から読み出した生体信号で置き換える。これにより、平均波形の算出ごとに６周期分を読み込んで１周期ごとの生体信号に分割する手間を省くことができる。
平均波形算出部１４０は、算出した平均波形をフィルタ処理部１５０および減算器１８０に出力する。
【００２６】
Ｓ１０７で制御部１１０は、フィルタ処理部１５０と構造要素長決定部１６０とを用いた構造要素長決定処理を行い、フィルタ処理部１５０において生体信号に適用するモフォロジーフィルタで用いる構造要素長を構造要素長決定部１６０で決定する。そして、制御部１１０は、決定した構造要素長を構造要素長決定部１６０によってフィルタ処理部１５０に設定させる。この処理については後で詳細に説明する。
【００２７】
Ｓ１０９で制御部１１０は、バッファメモリ１３０から処理単位（例えば１周期分や所定時間分）の生体信号を読み出し、フィルタ処理部１５０に供給する。そして、Ｓ１１１で制御部１１０は、供給した生体信号に対し、フィルタ処理部１５０でフィルタ処理を行わせる。Ｓ１１３で制御部１１０は、フィルタ処理部１５０の出力する、フィルタ処理された生体信号と、バッファメモリ１３０から読み出した、フィルタ処理された区間の生体信号とを減算器１７０に供給する。
【００２８】
なお、Ｓ１０９でバッファメモリ１３０から読み出した信号を遅延して減算器１７０に供給することで、減算器１７０に同じ区間についての元信号とフィルタ処理後の信号が供給されるように構成してもよい。
【００２９】
減算器１７０はバッファメモリ１３０から供給される生体信号（元信号）から、フィルタ処理部１５０の出力する生体信号（フィルタ処理後の信号）を減算し、アーチファクトを低減した生体信号を出力する。制御部１１０は、減算器１７０が出力する生体信号を例えばＩ／Ｆ部１２０を通じて記憶装置１９０に返送もしくは格納したり、解析装置など、フィルタ処理後の生体信号を取り扱う他の装置へ出力したりすることができる。
【００３０】
Ｓ１１５で制御部１１０は、Ｓ１１１でフィルタ処理した生体信号が、バッファメモリ１３０に一時記憶された生体信号の終わりを含んでいたかどうか、換言すればバッファメモリ１３０に一時記憶された生体信号を全てフィルタ処理したかどうかを判定する。制御部１１０は未処理の生体信号がバッファメモリ１３０に残っていれば処理をＳ１０５に戻し、未処理の生体信号がバッファメモリ１３０に残っていなければ処理をＳ１１７に進める。
【００３１】
Ｓ１１７で制御部１１０は、バッファメモリ１３０に記憶された生体信号の続きが記憶装置１９０に残っているかどうか、換言すれば処理対象のデータファイルに記録された生体信号を全て処理したかどうかを判定する。制御部１１０は未処理の生体信号がデータファイルに残っていれば、処理をＳ１０１に戻し、未処理の生体信号がデータファイルに残っていなければ、処理対象のデータファイルについての処理を終了する。
【００３２】
●（フィルタ処理の詳細）
次に、フィルタ処理部１５０が適用するフィルタ処理について説明する。
上述の通り、本実施形態のフィルタ処理部１５０は、アーチファクトを低減するフィルタ処理を、モフォロジーフィルタ（モルフォロジーフィルタとも呼ばれる）を用いて行う。モフォロジーフィルタは非線形フィルタであり、オープニングフィルタとクロージングフィルタの組み合わせからなるため、オープン−クロージングフィルタもしくはクローズ−オープニングフィルタと呼ばれることもある。
【００３３】
モフォロジーフィルタは処理対象に対して特定形状の構造要素を移動させ、処理対象に含まれる構造要素の集合を求める演算を行うフィルタであり、主に画像処理で輪郭の平滑化や孤立点除去などに用いられている。
【００３４】
モフォロジーフィルタの構造要素として、原点を中心に持つ長さｌ（ｌ＞０）の窓を考え、処理を行う入力信号系列をｘ（ｉ）（ｉは整数かつ≧ｌ）とする。
以下のＰ1に示す最小値を選択する処理（エロージョン）に続いて、Ｐ2に示す最大値を選択する処理（ダイレーション）を適用する処理がオープニング（Ｐ3）である。また、Ｐ2に示すダイレーションの適用に続いてＰ1に示すエロージョンを適用する処理がクロージング（Ｐ4）である。オープン−クロージングフィルタは、オープニングの適用に続いてクロージングを適用するフィルタ（Ｐ6）である。また、クローズ−オープニングフィルタは、クロージングの適用に続いてオープニングを適用するフィルタである。
【数１】
0006600154.tif 000002
【００３５】
オープニングフィルタは生体信号において基線より上の部分に作用し、クロージングフィルタは生体信号において基線より下の部分に作用する。本実施形態のフィルタ処理部１５０は、処理対象の生体信号に対し、オープニングフィルタとクロージングフィルタを同じ回数（１回以上）ずつ適用する。ここでは、フィルタ処理部１５０は、オープニングフィルタを１回適用したのち、クロージングフィルタを１回適用するオープン−クロージングフィルタであるものとする。
【００３６】
●（構造要素長の決定処理の詳細）
次に、図３に示すフローチャートを用いて、図２のＳ１０７で実施する構造要素長決定処理についてさらに説明する。
まず、Ｓ１０９１で制御部１１０は、構造要素長決定部１６０を通じ、フィルタ処理部１５０に構造要素長の初期値を設定する。構造要素長の初期値は処理対象の生体信号の特性に応じて定めることができる。例えば生体信号が心電信号の場合、ＱＴ間隔(msec)の一般的な下限値からマージンを考慮してさらに小さくした値を初期値として定めることができる。ここでは、生体信号が心電信号であり、構造要素長の初期値を１(msec)に対応するサンプル数とする。以下では便宜上、サンプル数を対応する時間で表現する場合がある。
【００３７】
Ｓ１０９３で制御部１１０は、Ｓ１０５で平均波形算出部１４０が生成した平均波形に対し、フィルタ処理部１５０でオープニングフィルタを適用させる。そして、Ｓ１０９５において、構造要素長決定部１６０は、減算器１８０の出力する、元信号（平均波形）とフィルタ処理後の信号とのサンプルごとの差の２乗和を算出し、現在の構造要素長に対する残差として記憶し、算出終了を制御部１１０に通知する。
【００３８】
Ｓ１０９７において制御部１１０は、現在の構造要素長が予め定めた最大値より小さいか判定し、最大値より小さければ処理をＳ１０９９に、最大値であれば処理をＳ１１０１に進める。
【００３９】
Ｓ１０９９で制御部１１０は、現在の構造要素長を所定量増加することで更新し、更新後の構造要素長を、構造要素長決定部１６０を通じてフィルタ処理部１５０に設定し、処理をＳ１０９３に戻す。例えば構造要素長の更新時の増加量は１ｍｓｅｃであってよい。このように、構造要素長が予め定めた最大値に達するまで、構造要素長を順次増加させながら、それぞれの構造要素長について元信号とフィルタ処理後の信号との残差を算出する。
【００４０】
予め定めた最大値の構造要素長までの残差の算出が完了すると、Ｓ１１０１で制御部１１０は、構造要素長決定部１６０に対し、構造要素長を決定させる。構造要素長決定部１６０は、構造要素長と残差との関係から、フィルタ処理部１５０に設定する構造要素長を決定する。
【００４１】
まずＳ１１０１で構造要素長決定部１６０は、残差が一定とみなせる構造要素長の区間のうち、所定以上の幅を有する区間を検出する。ここで、一定とは所定範囲内に変動が収まっていることを意味し、厳密に同一であることに限定されない。従って、Ｓ１１０１で構造要素長決定部１６０は、予め定められた構造要素長の変化量（例えば３０ｍｓｅｃ）以上にわたって、残差の変動が予め定めた範囲内に収まっている区間を検出する。
【００４２】
Ｓ１１０３で構造要素長決定部１６０は、検出された区間に対応する残差の差の、サンプルあたりの値が閾値を超えているか否か判定する。なお、区間が３つ以上検出されていれば、対応する構造要素長の短いものから２つについて判定する。区間に対応する残差は、例えば区間内の残差の平均値であってよい。構造要素長決定部１６０は、サンプルあたりの残差が閾値を超えていれば処理をＳ１１０５へ、閾値以下であればＳ１１０７へ処理を進める。また区間が１つしか検出されていない場合も処理をＳ１１０７に進める。
【００４３】
ここでの閾値は例えば５０μＶとする。この閾値は、生体信号の測定精度や、記録や表示を行うスケールを勘案して定めることができる。例えば、一般的な心電図の記録または表示を行うスケールにおいて、５０μＶは０．５ｍｍに相当し、０．５ｍｍの差を視覚的に判別することは困難である。
【００４４】
Ｓ１１０５で構造要素長決定部１６０は、対応する構造要素長が長い区間に基づいて構造要素長を決定する。
Ｓ１１０７で構造要素長決定部１６０は、対応する構造要素長が短い区間に基づいて構造要素長を決定する。
Ｓ１１０５およびＳ１１０７で構造要素長決定部１６０は、例えば、区間の開始点に対応する構造要素長（すなわち、区間に対応する最短の構造要素長）を、オープニングフィルタに設定する構造要素長として決定する。
【００４５】
構造要素長の変化に対して残差の変化が一定とみなせる区間においては、構造要素長を変えても効果に変化がない。一方で、構造要素が長すぎると基線動揺の低減効果が小さくなり、構造要素が短すぎると波形を歪ませるという特性がある。従って、残差の変化が十分小さい範囲では、構造要素長を短く設定することで、波形を歪ませずに基線動揺の低減効果を最大限実現するようにする。一方、構造要素長の変化に対して残差の変化が一定とみなせる区間が複数検出された場合、区間に対応する残差の差が大きければ、短い構造要素長を用いた場合には波形歪みが生じている可能性が高い。従って、構造要素長決定部１６０は長い構造要素長に対応する区間から構造要素長を決定する。
【００４６】
ここで、構造要素長の決定方法の具体例を、図４を用いて説明する。図４は、構造要素長の初期値を１ｍｓｅｃ、最大値を５００ｍｓｅｃとした場合の、構造要素長と残差との関係例を示す図である。なお、ここで構造要素長の初期値を１ｍｓｅｃとしているのは便宜上であって、実際にはこのように小さな値を初期値とする必要はない。
【００４７】
図４の例では、３０ｍｓｅｃ以上の構造要素長の変化に対して残差が一定と見なせる区間として、区間Ａと区間Ｂが検出されている。そして、各区間に対応する残差εの差はｄεである。ｄεはサンプルごとの差分の２乗和の差であるため、Ｓ１１０３で構造要素長決定部１６０は、ｄεの平方根を、残差を求めた区間に含まれるサンプル数（ｍとする）で割った（√ｄε）／ｍを閾値と比較する。そして、Ｓ１１０５では、区間Ｂの開始位置に対応する候補点２の構造要素長が、Ｓ１１０７では、区間Ａの開始位置に対応する候補点１の構造要素長が、それぞれオープニングフィルタに設定する構造要素長として決定される。
【００４８】
オープニングフィルタの構造要素長がこのようにして決定されると、決定された構造要素長をフィルタ処理部１５０のオープニングフィルタに設定する。そして、オープニングフィルタの構造要素長と同様にして、クロージングフィルタの構造要素長も決定する。なお、クロージングフィルタの構造要素長を決定する際には、Ｓ１０９３で、オープニングフィルタ処理後の平均波形に対してクロージングフィルタを適用する。また、Ｓ１０９５で残差を求める際の元信号として、平均波形算出部１４０が出力する平均波形の代わりにオープニングフィルタを適用した平均波形を用いる。
【００４９】
なお、生体信号が心電信号のように基線の上側で連続する区間と下側で連続する区間の長さに差がある場合、Ｓ１１０３の判定に用いる閾値を、オープニングフィルタの構造要素長を決定する場合と、クロージングフィルタの構造要素長を決定する場合とで変えることができる。具体的には、例えば心電信号のように、基線の上側で連続する区間が基線の下側で連続する区間に対して有意に長い場合、クロージングフィルタの構造要素長を決定する場合の閾値は、オープニングフィルタの構造要素長を決定する場合よりも小さくすることができる。
【００５０】
このようにして、本実施形態では、オープニングフィルタで用いる構造要素長と、クロージングフィルタで用いる構造要素長とを別個に、かつ動的に設定ならびに更新する。そのため、特徴的な形状の生体信号（例えばブルガダ症候群や右脚ブロックに係る心電図信号）に対しても、低歪みと良好なアーチファクトの除去とを実現できる。
【００５１】
ただし、オープニングフィルタとクロージングフィルタのそれぞれについて例えば生体信号の一周期ごとに動的に決定すると計算量が多くなるため、条件に応じて更新頻度を少なくしてもよい。
例えば、
・今回算出した平均波形と直近に算出した平均波形との相関が予め定めた閾値を満たす場合（相関が十分に高いと判定される場合）や、
・直近に算出した構造要素長を用いて算出した残差εが予め定めた閾値未満の場合
は、構造要素長の算出（更新）をスキップして、直近に算出した構造要素長を変更せずに用いるようにしてもよい。例えば２つの平均波形の差分（サンプル値の差分２乗和）が閾値未満である場合に両者の相関が十分高いと判定することができる。
【００５２】
●（評価例）
図５に、異常心電図の一例としてのブルガダ型の心電図（I, II, V1-V6の８誘導）の２０例について、
・従来法１（遅延対称ＦＩＲフィルタ(DF512)）、
・従来法２（構造要素長が固定のモフォロジーフィルタ（固定法））、
・本実施形態の方法（適応的な構造要素長を有するモフォロジーフィルタ（適応法））
による波形歪みの比較評価結果を示す。なお、固定法における構造要素長は、心電図における一般的なＱＴの長さに鑑み、４００ｍｓｅｃとした。
【００５３】
具体的には、元信号（フィルタ適用なし）と各フィルタ適用後の信号について、Ｒ波のピーク位置の後５０〜１５０ｍｓｅｃ間の区間（ＳＴ−Ｔ区間）について、２ｍｓｅｃごとに５１点のサンプルを取得し、元信号との振幅差（絶対値）および相関係数を求める。そして、求めた振幅差（すなわち、誤差）と相関係数について比較評価する。
【００５４】
図５（ａ）は、誤差の分布を箱ひげ図で示すとともに、各群間についての、Wilcoxonの符号付順位和検定結果についてRyan法で補正した多重比較検定結果を示している。図５（ａ）に示すように、各群は有意水準１％の検定において有意な差を有している。
【００５５】
図６は、箱ひげ図の意味を説明するための模式図である。箱ひげ図の箱は、５１サンプルの各々についての差分を降順にソートした際の第３四分位数を上側ヒンジ、第１四分位数を下側ヒンジで表す。箱の中の水平線は第２四分位数（中央値）を表す。また、上下のひげは、ソートした値の最大値および最小値からそれぞれ５％内側の値を表す。ただし、上側のひげの最大値は、箱の高さ（すなわち、上側ヒンジと下側ヒンジの差）をｄとすると、（上側ヒンジ＋１．５ｄ）とする。同様に、下側のひげの最小値は（下側ヒンジ−１．５ｄ）とする。
【００５６】
箱の大きさｄが小さいほど、誤差の分布が小さい（値が安定している）ことを示し、また、中央値が小さいほど、元信号とフィルタ処理後の信号の誤差が小さいことを意味する。従って、箱の大きさｄが小さく、かつ中央値が小さい方が、元波形を歪ませないフィルタ処理であることになる。このような観点から図５（ａ）を参照すると、本実施形態による、適用的な構造要素長を用いるモフォロジーフィルタが、最も好ましい処理結果を実現していることがわかる。
【００５７】
図５（ｂ）は、モフォロジーフィルタの構造要素長を固定した場合（固定法）と、適応的に設定する場合（適応法）との誤差の分布を示している。固定法はかなり広範囲に誤差が分布しているのに対し、適応法では誤差が０に近い、かつ狭い範囲に分布していることがわかる。
【００５８】
図５（ｃ）は固定法と適応法とについて、元信号との相関係数の分布を示している。適応法において相関係数が１付近にほとんど集中しているのに対し、固定法ではばらつきがあるのがわかる。
【００５９】
図７および図８は、異常心電図の他の例として、右脚ブロックの心電図および心筋梗塞の心電図について、図５と同様の評価を行った例を示している。これらの例では適応法においてもブルガダ型の心電図より誤差が大きくなっているが、それでもＦＩＲフィルタや固定構造要素長のモフォロジーフィルタを用いる方法よりは良好な結果が得られている。
【００６０】
このように、適応的な構造要素長を有するモフォロジーフィルタを用いることで、フィルタ処理による波形歪みを抑制できることが示された。次に、適応的な構造要素長を有するモフォロジーフィルタによる基線動揺の除去効果について検討する。
【００６１】
ここでは、MIT-BIH心電図データベースにおける基線動揺が大きな心電図として、MIT 101およびMIT 108を用い、固定法（構造要素長４００ｍｓｅｃ）と適応法の比較評価例について説明する。
【００６２】
心電図の各心拍について、Ｒ波ピークから前１００ｍｓｅｃの区間について、２０ｍｓｅｃの窓を用いた分散を、２ｍｓｅｃずつＲ波頂点方向に窓を移動させながら順次求める。そして、最小の分散値が得られた区間の平均振幅値を求める。
【００６３】
このようにして心電図の各心拍で算出した平均振幅値の最小値を基準値として、各心拍の平均振幅値と基準値との差を基線動揺として算出し、基線動揺の大きさに応じて図９（ａ）に示す、MRFIT (Multiple Risk Factor Intervention Trial)基準における心電図のアーチファクト評価グレードに分類する。分類結果を図９（ｂ）に示す。
【００６４】
図９に示すように、本実施形態に係る適応法は、固定法と同等以上の基線動揺抑制効果が得られていることがわかる。つまり、図５〜図８の評価と図９の評価とから、適応法は固定法よりも波形歪みを抑制しながら、固定法と同等以上の基線動揺抑制効果を実現できることがわかる。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態によれば、モフォロジーフィルタを用いて生体信号の基線動揺および／またはノイズを抑制する生体信号処理装置において、モフォロジーフィルタの構造要素長を動的に設定するようにした。そのため、固定的な構造要素長を用いる従来の構成に対し、生体信号の周波数帯域と重複する周波数のアーチファクトの低減と、生体信号の歪み抑制とを両立できる。特に、異なる構造要素長を用いた際のフィルタ処理前後の生体信号の残差の変化に基づいて最適な構造要素長を決定することで、より適切なフィルタ処理を実現することができる。
【００６６】
（他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態に係る処理を、システム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサによって実施させるプログラムとしても実現可能である。従って、このようなプログラムや、プログラムを記録したコンピュータ可読記録媒体もまた本発明を構成する。また、上述の実施形態に係る処理を、ハードウェア（例えばＡＳＩＣやプログラマブルロジックなど）を用いて実施することもできる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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