論 文
目視診断に必要な心電図のデータ量
佐藤富雄 中田一人 橋口住久 大木真
（平成2年8月31日受理）
Estimation of the Data Quantity for Ocular Diagnosis of
Electrocardio-gram
TomioSATOH KazuhitoNAKATA SumihisaHASHIGUCHI MakotoOHKI
Abstract The data quantity for precise recording of electrocardiographic signals is estimated by computer simulation． It is shown that the reproduce waveforms with the sampling rate of 83Hz and 10 bit quantization are good enough for ocular diagnosis． 1． はじめに 心電図をデジタルで長時間連続記録するためには， 取り込むデータ量はできるだけ少ないことが望ましい．
心電図は，250Hzサンプリング，12ビット量
子化を行えば，忠実な波形再現が可能である1）．しか し，この規格は標準12誘導心電計についてのもので あり，ST部に重点をおき目視診断を行う携帯用ホルター心電計では，250Hzサンプリング，12ビッ
ト量子化の分解能は必要ない．ここでは，目視診断に 必要な波形の忠実さを保証する最低限のデータレート について，コンピュータシミュレーションによる検討 結果を報告する． 2． データ量検討の必要性 日常生活における心電図の異常検出には実時間解析 型の心電計が用いられる．実時間解析型心電計記録装 置では24時間分の心電図をそのまま記録することは 不可能である．実時間解析型心電計では，心電図の解 析を計算機で自動解析するので，アルゴリズムの差異 ＊電子情報工学科，Department of Electrical Engineering＆ Computer Science による診断のバラッキがあるため信頼性が十分ではな い．したがって，ホルター心電計により24時間分の 心電図を記録し，1枚のチャート紙に出力した圧縮心 電図での目視による診断が行われる．DATを用いた デジタルポルター心電計についてはすでに報告した2）． この装置の小型化，低消費電力化を図るために，記録 媒体としてIC メモリーカード を用いる方法が 考えられる．ホ ルター心電計が標準12誘導心
電計と同等な波 形を記録再生す るためには，米 国心臓学会（A HA）の規格に 120 100 sc −80 言 ξ60 ＞40 言 言200
0 Upper 日nit雁コ¶
l I ‘ l l I I I I I I I O−Ol ‘ri＿1°「t4FrequLncy ［；…㌔ sc 100図1 AHA規格
Fi9．1 The A．H． A． Standard for ecg system． 準じなければならない．図1は，標準12誘導心電計 についてのAHA規格である．この規格に準じて，標 準12誘導心電計と同等の再生波形を得るためには，100Hzの2倍以上のサンプリング周波数が必要で
あり，また，量子化分解能もlLSBあたり約2．5μV以上は必要となる．したがって250Hzサンプ
リング，12ビット量子化程度の分解能が必要となり， この場合のデータ量は24時間，1ch分について
250Hz×12ビット×3600秒×24時間
＝32Mバイト （1） となる．一方，現在のICメモリーカードの記録容量は1M∼2Mバイトであり，24時間分の心電図をそ
のまま記録することが不可能である．そのため，心電 図のデータ量を 低減することが 必要となるS）． ここでは目視診 断を可能にする 最低限のデータ レートを検討す る． なお，以下で は図2に示す心 電図の基本的パ ラメータを用いる． 図3は，心電 図波形を取り込 むブロック図で ある．シミュレ ータからの心電図波形を60d
B増幅し，±5 Vのダイナミッ クレンジをもっ R ’”s−一一一一一… R波の振幅 1 Ip i T
： Q波の擬幅 1 ‘ S波の掘帽 コ し −し ＿＿ロロ，t ’干一一‘ tQ‘S’¶’ 千PR間隔十司 1 ，一 QRS 持続時闘 図2 心電図のパラメータ Fig．2 The parameters of a ecg waveform． 3． 波形の取り込み 60dB増幅 AAFIA
Uぢ Jド パソコン 図3 波形取り込みのブロック図 Fi9．3 Block diagram of the data aquisition system． A／D変換1／0ボードを介して，パーソナルコンピ ュータに取り込む．A／D変換の前段では，カットオフ周波数100Hzのアンチエリアスフィルタ（AA
F）をおいてある．サンプリング周波数は250Hz， A／D変換量子化ビット数は12ビットである．振幅分解能は2．5μV／LSBである．
4． サンプリング周波数の低減4） イルタは直線位相特性をもつので，郡遅延特性が周波 数によらず一定であり，波形のひずみが小さい．した がって，心電図のように波形そのものを問題とする場 合には有効である．ここでは40次のFIRフィルタ を用いた． フィルタにより，信号に含まれる高周波数成分を除 去した後，マルチレートデジタルフィルタによるデシ メータシステム5｝を用いて，サンプリング周波数の変 換を行う．デシメータシステムとは，「サンプリング 周波数を，現在のものの1／N（N：整数）に低減さ せるためには，データをNサンプルごとに1点取り出 す．」ものである．この操作を行うことにより，25 0Hzの1／N（N：整数）のサンプリング周波数で あるデジタル信号系列を得ることができる．1麹Lは， デシメータにより得られるサンプリング周波数と前段 のFIRデジタルフィルタのカットオフ周波数である． 表1 サンプリング周波数の低減 Tablel Reduction of sampling rate．N
2
3
4
員副斉z］
125
●W3．3
62．5
カットオフ ?g数［Hz］60
40
30
5． 量子化ピット数の低減 12ビットデータのうちの下位数ビットを切り捨て ることによって，心電図の量子化ビット数を低減し，1LSBあたり
の分解能を変え る． 表2は，シミ ュレーションを 行ったビット数と1LSBあた
りの分解能であ り，増幅前の心 電図の原波形に 表2 量子化ビット数の低減 Table2 Reduction of quantizing bit−rate．矯藷Bあ醐
12ビット 2．5 11ビット 5．0 10ビツト 10．0 9ビット 20．0 8ビット 40．0 対しての分解能を意味する． サンプリングデータを間引く前処理として，心電図 に含まれている高周波成分を除去する必要がある．こ のためのフィルタにはFlR（非巡回型， Finite Imp luse Response） デジタルフィルタを用いる．このフ 6． 心電図の出力 図4は，波形再生のブロック図である．パーソナル コンピュ 一一夕でサンプリング周波数および量子化ビット数を低減した 心電図データを
1．a竺ts／；； 」！∼
一タに変換し， スムージングフ ィルタ（SMF） 図4 心電図出力のブロック図 に通し，チャー Fig．4 Block diagram of wave トレコーダー上 reproduction． に出力する．S T部分の波形の立ち上がりに重点におき目視検査する． 実心電図波形での解析は心電図を約1cmの振幅に出 力して解析を行う．本論文では波形のひずみを容易に 認識できるよう，心電図をわずかに大きく出力した． lD ﾌ穣ド SMF レチコヤ日ダト 7． 結果 7−1 サンプリング周波数の下限 図5は，量子化ビ ット数を12ビット 固定としてサンプリ ング周波数を125Hz，83Hzおよ
び63Hzとしたも
のである．125Hzサンプ
リングの波形は，心 電図に含まれる60 Hz以上の周波数成 分を除去しているた めに，R波の振幅が わずかに落ちている が，それ以外には劣 化がみられない．83Hzサンプリ
ングと63Hzサン
プリングの波形は， 高周波数成分の除去 によるR波の振幅の 減少に加えて，サン プル点の数が少ない ためにR波の形にひ ずみがみられる．し 250Hzサンプリング⊥／L」し
125Hzサンプリング 83Hzサンプリング 63Hzサンプリング 図5 サンプリング周波数 低減の影響 Fig．5 Waveforms at reduced sampling rates． かし，R波の再現性は目視による診断では必ずしも重 要ではない．63Hzサンプリングの波形は，波形が 急激に変化している部分でひずみが顕著に現れており，またS波，T波の波形の劣化もみられる．83Hzサ
ンプリングの波形も，部分的に波形の劣化がみられる が，S波とT波の再現性は十分良いといえる．したが って，サンプリング周波数は83Hz以上であればよ いといえる． 7−2 量子化ビット数の下限図6は，サンプリング周波数を250Hzと固定し
て，量子化ピット数を低減した結果である． 11ビット，10ビットの量子化ビット数ではほと んど波形の劣化は見 られない．8ビット の分解能になると， 視覚的にも明らかに 波形の劣化をとらえ ることができる．ま た，8ビット分解能 の波形には部分的に，Si
P波の波形のピーク をとらえていない． S波の再現性におい ても，サンプリング周波数250Hz，
一．．．．．■．．．．・．．t l2ピット量子化の ものとは明らかに異 なっている．以上の 点より8ビットの分 解能では不十分であ一
るといえる．9ビッ トの分解能でも部分 的に波形の劣化がみ られるが，S波とT 波の立ち上がりでは 再現性がよい．した がって量子化ビット 数は9ビット，すなわち1LSB＝10
μV以上の精度は必 要であることがわか る． 12ビット量子化 llピット量子化一し一
10ビット量子化L
9ビット量子化⊥へ
⊥八
8ビット量子化 図6 量子化ピット数低減の 影響 Fig．6 Waveforms at reduced bit−rates．7−3 サンプリング周波数83Hzでの波形精度
前述通り，目視診断において，サンプリング周波数 83Hz，量子化ビット数9ビットであれば，心電図 の波形精度は保証されると推測できるが，サンプリン グ周波数と量子化ビット数とを同時に低減した場合にっいて検討する．いま，サンプリング周波数を83H zとして量子化ビット数低減の影響を調べる．これは
サンプリング周波数125Hzと83Hzを比較する
と，125Hzサンプリング9ビット量子化では，1
秒間のデータ量は125Hz×9ビット＝1，125ピット
（2）であり，一方83Hzサンプリング12ビット量子化
では，1秒間のデータ量は83Hz×12ピット＝996ビット
であるので，同じ質 の波形を再生するの に必要なデータ量は83Hzの方が少な
いためである． 図7は，サンプリング周波数を83H
zと固定して，量子 化ビット数を変えたものである．83H
zサンプリングの波形は，40Hz以上
の高周波数成分を除 いているのでQ波と R波の振幅が落ちて いるが，ここではこ れについては評価外 とする．83Hzサンプリ
ング，llビット量 子化の波形は，R波 のひずみを除いて， 波形の劣化はみられ ない． 10ビット量子化 では，波形が急峻に 変化する部分で，小 さいひずみが現れて いるが， （3）250Hz，12ビット
一
83Hz，11ビット
83Hz，10ビット
」しL↓／L
83Hz， 9ビット
図7 サンプリング周波数83Hzにおける量
子化ビット数低減の 影響 Fig．7 Waveforms of 83Hz sampling at reduced bit−rates． S波とT波の立ち上がりは再現性がよく，目 視診断を行うには十分な精度があるといえる． 9ピット量子化では，特にS波とT波における波形 の劣化は目視による心電図解析では致命的なものであ る．したがって，サンプリング周波数を83Hzとし た場合には，量子化ビット数は10ビットは必要であ る． 7−4 不整脈を含む波形および実心電図波形での評 価 坐．は，7−3と同様の操作を不整脈を含む心電図、 に適用した結果である． この結果も高周波成分を除去しているため波形のピ ークの位置が落ちている．7−3に示した結果と同じ く83Hzサンプリング，9ピット量子化の波形では 波形のひずみが顕著に現れており，9ビットの分解能 では，目視診断において十分なものであるとはいえな い．堅からも，心電図の精度は83Hzサンプリン グ，10ビット量子化は必要であることがわかる．ま た，この分解能があれば目視による不整脈の検出も可 能である．250Hz，12ビット
83Hz，10ビット
83Hz， 9ビット 図8 不整脈を含む波形 Fig．8 Waveforms with arrhythmia．250Hz，12ビット
83Hz， 1 0 ビッ ト 83Hz， 9ビット 図9 患者から採取し た波形 Fig．9 Waveforms of a patient． 図gは，実際に患者から収集した心電図に同様の操 作を行ったものである．図9からも83Hzサンプリ ング，9ビット量子化を行うと，波形のひずみは目視 で容易に検出することができる．83Hzサンプリン グ，10ビット量子化では，S波， T波の再現性は良 いものである．8． 考察 ST部分を目視診断をするにはサンプリング周波数 83Hz，量子化ピット数10ビットが必要であるこ とがわかった．心電図のデータ量は，250Hzサン
