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    公开号:WO1985005514A1
    申请号:PCT/JP1985/000275
    申请日:1985-05-21
    公开日:1985-12-05
    发明作者:Hideki Imai；Minoru Sasaki
    申请人:Kabushiki Kaisya Advance Kaihatsu Kenkyujo；
    IPC主号:H03M7-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] 発明の名称
    [0003] 信号処理システム
    [0004] 技術分野
    [0005] 本発明は、 心電図信号、 脳波、 脈波等の生体信号を始め各 種アナ口グ入力信号を圧縮及び復元処理する新規信号処理シ ステムに関する。
    [0006] 背景技術
    [0007] 心電図信号、 脳波、 脈波等の生体信号をリ アルタイ ムで解 折し、 必要な信号を記録した後、 診断に供するという新しい 診断方法が近年提案されている。 しかし、 生体アナログ信号 をデジタル化して長時間デ一タの記録を行なうには、 一般に 膨大なメ モ リを必要とする。 しかも、 常時携帯し、 長時間記 録する装置において、 充分な記録容量をもつことは画難な場 合が多い。
    [0008] このために、 生体アナログ信号の情報を失なわずに小容量 のメ モ リを用いて充分な記録をすることが可能であり、 かつ、 復元時には生体アナログ信号の情報を失なう ことのない信号 処理を行なう新規システムの開発が要望されている。
    [0009] 発明の開示
    [0010] 依って本発明は、 このよう な要望を満たすべく 開発した新 規な信号処理システムを提供せんとするものである。
    [0011] 本発明では、 直線量子化された信号波形を取り扱う もので まず信号波形が時刻 t で量子化された電圧 V (t)をとる時、 デ ジタル化された信号波形は V (t) ( 1 = 1 , 2 , · · · · , £ )
    [0012] で表現される。 こ こで、 はサンプル数である。
    [0013] 量子化が nビッ トで行なわれたとすると、 このデータは n & ビッ トで表わされる。 本発明において、 データ圧縮とは、 · & ビ 、ソ トで表わされる信号波形をそれより も少ないビッ ト数で記録または伝送することをいう。 また圧縮されたデー タから信号波形を再生することを復元と呼ぶ。
    [0014] 本発明は、 デルタ変調 （以下 Δ Μと言う） を基本として、 生体信号等の任意のアナ口グ信号の特性にあわせて適応的に 予測点の位置や量子化ステップ幅を変化させる適応型 Δ M
    [0015] (以下 A D Mと言う） の技術を発展させたもので、 その構成 は、 入力信号をデジタル信号に変換する Aノ D変換手段と前 記 Aノ D変換手段のデジタル出力データを圧縮するデータ圧 縮手段とから成り、 前記データ圧縮手段は、 入力信号波形の 特性にあわせて予測点の位置や量子化ステップ幅が可変的に 設定された複数個のデルタ変調モー ドの 1 つによりデジタル 信号を標本点に変換するデルタ変調処理手段と、 前記標本点 により複数個の前記モー ドから 1つのモー ドを適応的に選定 するモー ド選定手段と、 前記標本点をハフマン符号化する符 号化手段とから成ることを特徴とする信号処理システムとし たものである。
    [0016] 図面の簡単な説明
    [0017] 第 1図から第 4図は本発明処理システムに於ける A D M処 理説明図、 第 5図ば本発明実施例に於ける作用効果説明図、 第 6図は同装置ブロ ック図、 第 7図から第 1 3図は同データ 圧縮 · 復元処理アルゴ リ ズムを示すフ ロ ーチヤ一 卜である。 発明を実施するための最良の態様
    [0018] ここで適応型デルタ変調処理について簡略説明する。
    [0019] ( 1 ) Δ Mについて
    [0020] Δ Μは、 差分パルス符号変調の最も簡単な形態である。 こ こで差分パルス符号変調とは現標本値と前標本値との差分値 を量子化するもので、 各標本値を量子化するより も少ないビ y ト数で符号化することができる。
    [0021] Δ Μはこれを簡略化し、 現標本値が前標本値に比べ 「大」 である力、 「小」 かを 1 ビッ トで表わすようにしたものである , 第 1図 （符号 a · · · 信号波形、 同 b · · · 伝送波形、 同 c • · · 標本点間隔、 同 d · · ' 伝送ビッ ト系列及び同 t · · - 時間） に示すようにこの方式は、 1 ビッ トで符号化するた め符号化のアルゴリ ズムは容易であるが、 1標本点間隔で 1 量子化ステップしか変化できないので信号波形の傾斜が 「 土 1 」 以上の場合に追随できない等の欠点がある。
    [0022] (2) A D Mについて
    [0023] Δ Mは、 前の時点の復元値より Δだけ大きい値と Δだけ小 さい値の 2つを予測しておいて、 現時点での標本値との誤差 が小さい方の予測値を選択する符号化方式である といえる。 A D Mは、 基本的には Δ Mと同じであるが、 予測点の設定の しかたのことを予測点の状態と呼び、 以下にその例を示す。 傾斜が急な部分では、 第 2図 ( （符号 a · · · 信号波形、 同 b - · ' 予測点） のように電圧方向に予測点を增やすことに より大きな変化にも追従しやすく なる。 一方、 第 2図 (b) (符 号 a · · · 信号波形、 同 b · · · 予測点） のように緩やかな 部分では " ―〇一 " のように予測点をとると効率が悪く なる , そこで、 " ー擊— " のように予測点をとつて、 予測点が存在 しない時刻の値はその前後から補間しても大きな誤差は生じ ないと考えられる。
    [0024] このとき、 予測点の数が増えるため圧縮率が悪く なる。
    [0025] しかし第 2図 (b)のように復元時に捕間されるデータは圧縮さ れたデータに舍まれないため、 全体として Δ Mより圧縮率を 良くすることは可能となる。 尚、 図中 " X " は現在の点を表 わす （以下、 同様） 。
    [0026] (3) 予測点の状態の設定とその遷移処理
    [0027] デジタル化信号の特徴
    [0028] データ圧縮の対象となる心電図は、 500Hzでサンプリ ング され、 8 ビッ トで直線量子化された、 1量子化ステップ約 2 のものとする。 以下、 電圧は量子化ステップを単位とし て表わす。
    [0029] 予測値の状態を考えるにあたり、 連続する 3標本値の差の 絶対値を調べてみた （第 1表） 。 こ こで使用したデータは、 心電図シミ ュ レ―タの出力及び健常者より記録した心電図で ある。 第 1 表
    [0030] (%)
    [0031]
    [0032]
    [0033] S 1 =： v(t)-v(t-l) ' , S2= ! v(t+l)-v(t)！ は 0 第 1 表より、 隣接する 2標本値の差が突然大き く変化する 割合は小さ く 、 2以上変化する割合は 3 %以下である。 つま り、 ある区間の傾きが Nのとき、 それに続く 区間の傾きが N 一 1 , , N 1 のいずれかになる確率が高い。
    [0034] そこで次のような方針でアルゴリ ズムを構成する。
    [0035] ( i ) 傾斜の緩やかな部分では、 予測点をい く つか先の時刻 上にも配置する。 予測点の位置は傾きが ± 2以内だけを 考えればよい。 それ以上の傾きは出現する確率が小さい ので、 時間軸方向の圧縮を行なっても、 その効果は期待 できない。
    [0036] ( ii ) 傾きが 0、 つまり電圧一定の部分が多く現われ、 また 長い区間で連繞することが多い。 そこで電圧一定の区間 であると見なせる場合は、 予測点を現時点と同じ電圧で 時間軸方向にのみ配置する。
    [0037] ( iii ) 傾斜が急な部分では時間軸方向の圧縮は行なわず、 同 一時刻上に数個の予測点を配置し、 波彤の変化に追従で きるようにする。
    [0038] ( iv ) 予測点の犾態に関する情報は特に符号化は行なわず、 選択された予測点によって次の状態を決定する。
    [0039] ( V ) 平均符号長を最小にするために、 予測点の符号化には ハフマン（Hu f f man) 符号化を用いる。
    [0040] モー ド及びその遷移の具体例
    [0041] 予測点の状態として、 5つのパター ン （以下モー ドと言う） を採用した場合の例を第 3図に示し、 モー ド遷移の例を第 4 図に示す。
    [0042] 第 3図で、 直前に符号化が行なわれたデータの時刻を tsと する。
    [0043] 第 3図は極性が正のときであるが負のときば上下が入れ替 わる。
    [0044] i ) 時間軸方向の圧縮を行なうモー ド
    [0045] ' モー ド A 1 (第 3図 )）
    [0046] 傾斜が锾やかなときにとるモー ドで、 時刻 ts + 2 のデー タが斜線内にあれば、 予測点 a〜 cをとり、 それ以外の 場合は予測点 dをとつて急傾斜に対するモ一ドへ遷移す る o
    [0047] ' モー ド A 2 (第 3図 (b) )
    [0048] 傾斜が緩やかで、 原波形の極性がはつきり していると予 想されるときこのモー ドをとる。 時刻 ts + 3 のデータが 斜線内にあれば予測点 a 〜 cをとり、 それ以外の場合、 予測点 dをとり急傾斜に対するするモー ドへ遷移する。
    [0049] ' モー ド c (第 3図 (0 )
    [0050] 電圧一定であると予想されるとき このモー ドをとる。 L thと Δ t を予め設定し、 時刻 ts + 1 から taまでの間で 次式を満たす最小の t nを見つける。
    [0051] ！ V ( t h)一 V ( ts ) ' > L tn
    [0052] t nが見つからなければ予測点 aをとり、 t b < t n≤ taのと きは予測点 bを、 ' ts + 2 く t nく tbのときは予測点 cをと り、 tn≤ ts + 2 のときは予測点 dをとり、 急激な変化の モー ドへ遷移する。
    [0053] ϋ ) 急激な変化に対応するモー ド
    [0054] ' モー ド Β 1 (第 3図 (d) )
    [0055] 傾斜が急で、 極性がはっきり していないと予測される ときこのモー ドをとり、 波形のビークや変曲点を保存 する時に有効になる。
    [0056] • モー ド B 2 (第 3図 (e) )
    [0057] 傾斜が急で、 極性がはつきり していると予測されると き このモー ドをとる。
    [0058] 第 4図は以上のモー ド遷移の具体例を示すものであ り、 図中、 スラ ッ シュ記号の分子は予測点の種類 ( a ， b , c , d及び e ) 、 その量子化ステ ップ幅 (厶 V》 及び時間幅 （A t ) であり、 分母は遷移に当 つて量子: (ヒステップ幅ゃ時間幅或いは極性の反転等を 設定する処理を示す。
    [0059] (4) ハフマン符号化
    [0060] ある与えられた情報源に対し、 情報源記号を一つずつ一意 複合可能な符号に符号化するとき、 平均符号長を最小とする 符号をコ ンパク ト符号といい、 このコ ンパク ト符号の構成法 がハフマンによって与えられており、 それによつて得られる 符号をハフマン符号と呼ぶ。 以下にハフマン符号の構成法を 示す。
    [0061] (a) 各情報源記号に対応する葉を作る。 おのおのの葉には. 情報源記号の発生確率を記しておく。
    [0062] (b) 確率の最も小さい 2枚の葉に対し、 一つの節点を作り その節点と 2枚の葉を技で結ぶ。 この 2枚の技の一方に は 0、 他方には 1を割り当てる。 さらに、 この節点に、 2枚の葉の確率の和を記し、 この節点を新たに葉と考え る （すなわち、 この節点から出る枝を取り除いたと考え る） 。
    [0063] (c) 葉が 1枚しか残っていなければ、 符号構成法は終了す る。 そうでなければ Wに戻る。
    [0064] 次に、 第 1表のデータに対し、 ハフマン符号化処理を行 ない、 符号長（b i t) を求めた。
    [0065] 結果を第 2表に要約して示す。 第 2 表
    [0066]
    [0067] (5) データ復元
    [0068] 圧縮データをハフマ ン復号化処理し、 次いで状態遷移処理 (モー ド選定処理） すれば圧縮データの標本点が復元される 信号波形は標本点に基づく復元データ点間を例えば単に直線 補間するのみで充分復元可能である。
    [0069] 以上の説明を基にして、 圧縮率と近似誤差により、 本発明 方式と AZTEC方式とを比較すると種々の効果があることがわ かった。 すなわち、 まず圧縮率を比較する上で、 次のような 符号化を行なつた。 まず抽出された点 V (ti)に対して、
    [0070] 厶 V (ti) = V (ti) - V (ti-t)
    [0071] を求める。 これを第 3表で定める符号長で符号化し、 圧縮率
    [0072] B aft
    [0073] を 7 = として求めた。 ここで、 B pre は原波形デー
    [0074] B pre
    [0075] タの全ビッ ト数、 Baft は圧縮データの全ビッ ト数を表わす < Ati 符号長（bi t)
    [0076] 1 ~15 4
    [0077] 16 〜30 8
    [0078] 31 〜45 1 2
    [0079] 46 -299 2 0
    [0080] 300〜 2 0
    [0081] Δ V (ti) 符号長（bi t)
    [0082] -150 〜 -23
    [0083] 一 22 〜一 7
    [0084] 8
    [0085] 一 6 〜 6
    [0086] 7 〜 2 2
    [0087] 2 3 〜 150 1 2 復元波形の近似誤差は、 次式で表わされる UMSE (Root Mear Square Error) によって求め 7こ。
    [0088]
    [0089] ここで、 v (t) は原波形、 V' (t)は復元された波形、 は サンプル数である。
    [0090] その結果、 圧縮率は両者共に約 1 0 %程度で同等であるが. 近似誤差は本発明方式では 1. 0以下であるのに対し、 AZTEC 方式では 1. 5 〜 4. 3 と著しく差異があつた。
    [0091] 更に、 原波形（a) 、 AZTEC復元波形及び本発明復元波形 (C) を第 5図に示す。 図示の通り、 本発明復元波形は原波形 の特徴を極めて正確に保持したものとなっている。
    [0092] 更に、 長時間記録心電計への応用の面から、 本方式の符号 化に要する時間を測定した。 FORTRAN 80で書いたプログラム をク ロ ッ ク周波数 6 M Hzの Z 8 0上で実行した。 その結果、 一標本点あた に要する時間は、 平均して 0.84msecであつた < サンプリ ング周波数 500 Hzの心電図をリ アルタイ ムで圧縮す るためには、 1標本点あたり 2 msec以下で符号化できればよ い。 従って、 本方式はこの条件の下では、 リ アルタイ ムで処 理を行なえることが確認できた。
    [0093] (6) 本発明の実施例
    [0094] 第 6図（a) は本発明データ圧縮方式の 1実施例を示す模式 図であり、 入力アナログ信号をデジタル信号に変換する A Z D変換手段 1 と、 中央処理装置（CPU) 21 、 読み岀し専用メ モ リ （ROM) 22 、 書き込み読み出しメ モ リ （RAM) 23 、 圧縮データ 記録媒体 2 4等から成るデータ処理手段 2 により構成される。 こ こに於いて、 ROM 23にプログラムされた命令力く CPU 21に読 み込まれることによりデータ処理が実行される。 すなわち、 A Z D変換手段 1 によってデジタル化された入力信号を CPU 21が受け取り、 一旦 RAM 23に記録し、 次いで前記 A D M処理 のアルゴリ ズムに従って A D M処理を施こ し、 得られた標本 値をハフマン符号化して原入力信号波形を圧縮し、 圧縮デー タ記録媒体 2 4 に記録する。
    [0095] 以下、 添付第 7乃至 1 2図に基づき A D M処理のアルゴリ ズムをより詳細に説明する。 第 7図は A D M処理アルゴリ ズムの全体を示すフローチヤ ー トであり、 先頭のデータに対して予測点の状態をモー ド A！ に設定するステップ (1)、 RAM 23に一旦記録されたデータを入 力するステッブ (2)、 予測点の状態に応じて予測点を評価する ステップ )、 標本値を決定するステップ (4)、 予測点の状態を 遷移する （モー ドの選定） ステップ )、 ハフマン符号を割り 当てるステップ (6)、 符号化されたデータ圧縮データ記録媒体 2 4に記録するステップ ）より成り、 次いで再びデータを入 力するステップに戻る。
    [0096] 第 8乃至第 1 2図は、 上記ステップ (3)乃至ほ)に対応する夫 々モー ド A【， A 2, Bい B 2 及び Cに関する A D M処理アルゴ リ ズムであり、 例えば、 第 8図 （モー ド A Jの場合、 入力デ ータが該当モー ドの予測点 a に該当するか否かを評価し、 も し該当ならば標本点 a と決定してモー ド A 2 に遷移し、 もし 非該当ならば当該モー ドの予測点 b に対応するや否やを評価 するステ ップに進み、 以下同様に順次、 次のステップに移行 する。
    [0097] 第 9図から第 1 2図に示す他のモー ドの場合も上述と略同 様である。
    [0098] 尚、 第 8図から第 1 2図のフローチャー トに於いて、 Δ ν は量子化ステップ幅を示し、 " Δ ν - 2 η は量子化ステップ 幅を 2 とするステップ、 " Δ ν = 1 ？ " は夫が 1か否かを評 価するステップ、 △ V = Δ V ± 1 は元のステップ幅を加減 1 するステツプ等であり、 時間幅 Δ t についても同様である。 第 6図（b) は本発明データ復元方式の 1実施例を示す模式 図であり、 圧縮デ一タ記録媒体 2 4 と、 CPU 21 ' 、 RO 22 ' RAM 23 ' 及び復元波-形出力部 2 5 より成るデータ処理手段 2 とから構成される。
    [0099] データ処理手段 2 ' に於いて実行される復元アルゴリ ズム の全体を第 1 3図に示す。
    [0100] すなわち、 先頭の圧縮データに対して予測点の状態をモー ド A , に設定するステツプ（1)、 RAM 23 ' に一旦記録された圧 縮データを入力するスチップ (2)、 ハフマン符号を復号化する ステップ (3)、 ハフマン複号データを記録するステップ (4)及び 予測点の状態を遷移するステップ )より成り、 次いで再び圧 縮データ入力ステップ ）に戻る。
    [0101] 尚、 上記状態遷移ステップ ）の各モー ド毎のアルゴリ ズム の詳細は、 前記第 8図から第 1 2図に於いて、 各標本点決定 ステップを除去したものと同等である。 但し、 予測点評価ス チップには圧縮データのハフマン符号化データが入力される のであろうから、 そこでの評価はハフマン符号に基づいてな されるよう変更されている。
    [0102] 以上の実施例を実行した結果の 1 部は既述した通りである e このよ う に、 本発明システムは任意のアナログ信号波形の 圧縮復元手段として極めて有用なものと云い得、 心電図信号 等の生体信号処理分野のみならず、 各種データ通信等に於い ても有力手段として汎用され得るものである。
    权利要求:
    Claims 請 求 の 範 囲
    (1) 入力信号をデジタル信号に変換する A Z D変換手段と前 記 Aノ D変換手段のデジタル出力データを圧縮するデータ 圧縮手段とから成り、
    前記データ圧縮手段は、 入力信号波形の特性にあわせて 予測点の位置や量子化ステップ幅が可変的に設定された複 数個のデルタ変調モー ドの 1つによりデジタル信号を標本 点に変換するデルタ変調処理手段と、 前記標本点により複 数個の前記モー ドから 1 つのモー ドを適応的に選定するモ 一ド選定手段と、 前記標本点をハフマン符号化する符号化 手段とから成ることを特徴とする信号処理システム。
    (2) 前記入力信号が心電図信号であることを更に特徴とする 請求の範囲第 (1》項に記載の信号処理システム。
    (3) 入力信号をデジタル信号に変換する A Z D変換手段と前 記 A Z D変換手段のデジタル出力データを圧縮するデータ 圧縮手段及び復元手段とから成り、
    前記データ圧縮手段が、 入力信号波形の特性にあわせて 予測点の位置や量子化ステップ帽が可変的に設定された複 数個のデルタ変調モー ドの 1つによりデジタル信号を標本 点に変換するデルタ変調処理手段と、 前記標本点により複 数個の前記モー ドカ、ら 1つのモー ドを適応的に選定するモ 一ド選定手段と、 前記橒本点をハフマン符号化する符号化 手段とから成り、 且つ、 前記データ復元手段が圧縮データ からのデジタル入力信号をハフマン復号化するハフマン復 号化手段及び前記デジタル入力信号により複数個の前記モ 一 ドから 1 つのモー ドを適応的に選定するモ ー ド選定手段 及び導出標本点に基づく復元データ点間を直線補間して連 続した復元データとする手段から成ることを特徴とする信 号処理システム。
    (4) 前記入力信号が心電図信号であることを更に特徵とする 請求の範囲第 (3)項に記載の信号処理システム。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    申请号 | 申请日 | 专利标题
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    JP59/101777||1984-05-22||DE19853584774| DE3584774D1|1984-05-22|1985-05-21|Signalverarbeitungssystem.|
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