特開 2024-129505 生体信号処理システム、信号処理装置、コンピュータプログラム、生体信号の生成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024129505

(43)【公開日】2024-09-27

(54)【発明の名称】生体信号処理システム、信号処理装置、コンピュータプログラム、生体信号の生成方法

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/327 20210101AFI20240919BHJP

【ＦＩ】

A61B5/327

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023038749

(22)【出願日】2023-03-13

(71)【出願人】

【識別番号】504150450

【氏名又は名称】国立大学法人神戸大学

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】100111567

【弁理士】

【氏名又は名称】坂本 寛

(72)【発明者】

【氏名】和泉 慎太郎

(72)【発明者】

【氏名】荒木 徹平

(72)【発明者】

【氏名】村瀬 翔

【テーマコード（参考）】

4C127

【Ｆターム（参考）】

4C127AA02

4C127CC08

(57)【要約】

【課題】所定の電極配置とは異なる他の電極配置であっても、必要な複数チャネル生体信号を得られるようにする。
【解決手段】開示の生体信号処理システムは、第１配置で生体へ装着されるｍ個の電極と、前記ｍ個の電極から取得したｐチャネルの第１生体信号を、生成モデルに入力し、前記生成モデルからｑチャネルの第２生体信号を出力する処理を実行する信号処理装置と、を備える。前記ｑチャネルの前記第２生体信号は、第２配置で生体へ装着されるｎ（ｎは３以上の整数）個の電極から得られる信号に相当する信号である。前記第２配置は、電極の数及び装着位置の少なくともいずれか一方において、前記第１配置とは異なる電極配置である。前記生成モデルは、前記ｐチャネルの前記第１生体信号が入力されると前記ｑチャネルの前記第２生体信号を出力するよう構成されている。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１配置で生体へ装着されるｍ（ｍは３以上の整数）個の電極と、
前記ｍ個の電極から取得したｐ（ｐは２以上の整数）チャネルの第１生体信号を、生成モデルに入力し、前記生成モデルからｑ（ｑは２以上の整数）チャネルの第２生体信号を出力する処理を実行する信号処理装置と、
を備え、
前記ｑチャネルの前記第２生体信号は、第２配置で生体へ装着されるｎ（ｎは３以上の整数）個の電極から得られる信号に相当する信号であり、
前記第２配置は、電極の数及び装着位置の少なくともいずれか一方において、前記第１配置とは異なる電極配置であり、
前記生成モデルは、前記ｐチャネルの前記第１生体信号が入力されると前記ｑチャネルの前記第２生体信号を出力するよう構成されている
生体信号処理システム。

【請求項2】

前記第１配置で生体へ装着される前記ｍ個の電極は、前記ｍ個の電極の相対位置関係が固定された状態で単一のベース上に設けられている
請求項１に記載の生体信号処理システム。

【請求項3】

前記生成モデルは、前記ｐチャネルの前記第１生体信号が入力されると前記ｑチャネルの前記第２生体信号を出力するよう機械学習された学習済モデルである
請求項１に記載の生体信号処理システム。

【請求項4】

前記ｑチャネルの前記第２生体信号は、標準１２誘導心電図における１２チャネルの信号又は標準１２誘導心電図に含まれる１２チャネル未満の信号である
請求項１に記載の生体信号処理システム。

【請求項5】

前記ｐチャネルの前記第１生体信号が取得される前記ｍ個の前記電極は、全てが前記生体の胸部中央に装着される
請求項１に記載の生体信号処理システム。

【請求項6】

信号処理を実行する信号処理装置であって、
前記信号処理は、
第１配置で生体へ装着されるｍ（ｍは３以上の整数）個の電極からｐ（ｐは２以上の整数）チャネルの第１生体信号を取得し、
前記ｐチャネルの前記第１生体信号を生成モデルに入力し、前記生成モデルからｑ（ｑは２以上の整数）チャネルの第２生体信号を出力する
ことを含み、
前記ｑチャネルの前記第２生体信号は、第２配置で生体へ装着されるｎ（ｎは３以上の整数）個の電極から得られる信号に相当する信号であり、
前記第２配置は、電極の数及び装着位置の少なくともいずれか一方において、前記第１配置とは異なる電極配置であり、
前記生成モデルは、前記ｐチャネルの前記第１生体信号が入力されると前記ｑチャネルの前記第２生体信号を出力するよう構成されている
信号処理装置。

【請求項7】

生体信号の生成方法であって、
第１配置で生体へ装着されるｍ（ｍは３以上の整数）個の電極からｐ（ｐは２以上の整数）チャネルの第１生体信号を取得し、
前記ｐチャネルの前記第１生体信号を生成モデルに入力して、前記生成モデルからｑ（ｑは２以上の整数）チャネルの第２生体信号を出力する、
ことを含み、
前記ｑチャネルの前記第２生体信号は、第２配置で生体へ装着されるｎ（ｎは３以上の整数）個の電極から得られる信号に相当する信号であり、
前記第２配置は、電極の数及び装着位置の少なくともいずれか一方において、前記第１配置とは異なる電極配置であり、
前記生成モデルは、前記ｐチャネルの前記第１生体信号が入力されると前記ｑチャネルの前記第２生体信号を出力するよう構成されている
生体信号の生成方法。

【請求項8】

コンピュータに信号処理を実行させるコンピュータプログラムであって、
前記信号処理は、
第１配置で生体へ装着されるｍ（ｍは３以上の整数）個の電極からｐ（ｐは２以上の整数）チャネルの第１生体信号を取得し、
前記ｐチャネルの前記第１生体信号を生成モデルに入力して、前記生成モデルからｑ（ｑは２以上の整数）チャネルの第２生体信号を出力する、
ことを含み、
前記ｑチャネルの前記第２生体信号は、第２配置で生体へ装着されるｎ（ｎは３以上の整数）個の電極から得られる信号に相当する信号であり、
前記第２配置は、電極の数及び装着位置の少なくともいずれか一方において、前記第１配置とは異なる電極配置であり、
前記生成モデルは、前記ｐチャネルの前記第１生体信号が入力されると前記ｑチャネルの前記第２生体信号を出力するよう構成されている
コンピュータプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、生体信号処理システム、信号処理装置、コンピュータプログラム、生体信号の生成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、生体信号計測装置を開示している。特許文献１の装置は、生体内の電気的活動など、電位の経時的な変化を電極で計測する。特許文献１は、その装置を、脳波計に適用するほか、心電計等に適用できることを開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１７／１２２３７９号

【発明の概要】

【0004】

生体信号の測定には、例えば、標準１２誘導心電図を得るための測定がある。標準１２誘導心電図は、１２個の心電図（１２チャネルの心電図）から構成される。標準１２誘導心電図を記録するには、４個の四肢電極及び６個の胸部電極の計１０個の電極が用いられる。適切な標準１２誘導心電図を得るには、所定数（１０個）の電極を、生体の所定の位置に正確に装着させる必要がある。

【0005】

このように、標準１２誘導心電図又はその他の必要な複数チャネル生体信号を記録しようとする場合、所定数の電極を、生体の所定の位置に配置する必要がある。必要な複数チャネル生体信号は、所定の電極配置で得られるが、他の電極配置では、従来、得られなかった。

【0006】

しかし、所定数の電極を生体の所定の位置に配置した所定の電極配置が必要であると、利便性の低下を招くことがある。また、所定の電極配置を得るのが困難なこともある。したがって、所定の電極配置とは異なる他の電極配置であっても、必要な複数チャネル生体信号を得られるようにすることが望まれる。

【0007】

本開示のある側面は、生体信号処理システムである。開示の生体信号処理システムは、第１配置で生体へ装着されるｍ（ｍは３以上の整数）個の電極と、前記ｍ個の電極から取得したｐ（ｐは２以上の整数）チャネルの第１生体信号を、生成モデルに入力し、前記生成モデルからｑ（ｑは２以上の整数）チャネルの第２生体信号を出力する処理を実行する信号処理装置と、を備え、前記ｑチャネルの前記第２生体信号は、第２配置で生体へ装着されるｎ（ｎは３以上の整数）個の電極から得られる信号に相当する信号であり、前記第２配置は、電極の数及び装着位置の少なくともいずれか一方において、前記第１配置とは異なる電極配置であり、前記生成モデルは、前記ｐチャネルの前記第１生体信号が入力されると前記ｑチャネルの前記第２生体信号を出力するよう構成されている。

【0008】

本開示の他の側面は、信号処理装置、生体信号の生成方法、又はコンピュータプログラムを含む。更なる詳細は、後述の実施形態として説明される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、生体信号処理システムの構成図である。

【図2】図２は、電極装置のＡ－Ａ線断面図である。

【図3】図３は、実施形態に係る電極装置を用いた電極の貼り付け状態を示す説明図である。

【図4】図４は、標準１２誘導心電図のための電極の位置を示す説明図である。

【図5】図５は、信号処理装置における処理の手順を示すフローチャートである。

【図6】図６は、第１生体信号を示す波形である。

【図7】図７は、生成モデルの学習フェーズ及び推論フェーズの説明図である。

【図8】図８は、第２生体信号を示す波形である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

＜１．生体信号処理システム、信号処理装置、生体信号の生成方法、コンピュータプログラム、の概要＞

【0011】

（１）実施形態に係るシステムは、生体信号処理システムであり得る。生体信号処理システムは、第１配置で生体へ装着されるｍ（ｍは３以上の整数）個の電極と、前記ｍ個の電極から取得したｐ（ｐは２以上の整数）チャネルの第１生体信号を、生成モデルに入力し、前記生成モデルからｑ（ｑは２以上の整数）チャネルの第２生体信号を出力する処理を実行する信号処理装置と、を備え得る。前記ｑチャネルの前記第２生体信号は、第２配置で生体へ装着されるｎ（ｎは３以上の整数）個の電極から得られる信号に相当する信号であり得る。前記第２配置は、電極の数及び装着位置の少なくともいずれか一方において、前記第１配置とは異なる電極配置であり得る。前記生成モデルは、前記ｐチャネルの前記第１生体信号が入力されると前記ｑチャネルの前記第２生体信号を出力するよう構成され得る。

【0012】

実施形態に係る生体信号処理システムによれば、第２配置の電極から得られる信号に相当する第２生体信号を、第２配置とは異なる第１配置の電極から取得された第１生体信号から生成することができる。つまり、所定の第２配置とは異なる第１配置の電極配置であっても、必要な第２生体信号を得ることができる。

【0013】

（２）前記第１配置で生体へ装着される前記ｍ個の電極は、前記ｍ個の電極の相対位置関係が固定された状態で単一のベース上に設けられているのが好ましい。電極の相対位置関係が固定されていることで、電極の装着が容易になる。

【0014】

（３）前記生成モデルは、前記ｐチャネルの前記第１生体信号が入力されると前記ｑチャネルの前記第２生体信号を出力するよう機械学習された学習済モデルであるのが好ましい。

【0015】

（４）前記ｑチャネルの前記第２生体信号は、標準１２誘導心電図における１２チャネルの信号又は標準１２誘導心電図に含まれる１２チャネル未満の信号であるのが好ましい。

【0016】

（５）前記ｐチャネルの前記第１生体信号が取得される前記ｍ個の前記電極は、全てが前記生体の胸部中央に装着されるのが好ましい。

【0017】

（６）実施形態に係る装置は、信号処理を実行する信号処理装置であり得る。前記信号処理は、第１配置で生体へ装着されるｍ（ｍは３以上の整数）個の電極からｐ（ｐは２以上の整数）チャネルの第１生体信号を取得し、前記ｐチャネルの前記第１生体信号を生成モデルに入力し、前記生成モデルからｑ（ｑは２以上の整数）チャネルの第２生体信号を出力することを含み得る。前記ｑチャネルの前記第２生体信号は、第２配置で生体へ装着されるｎ（ｎは３以上の整数）個の電極から得られる信号に相当する信号であり得る。前記第２配置は、電極の数及び装着位置の少なくともいずれか一方において、前記第１配置とは異なる電極配置であり得る。前記生成モデルは、前記ｐチャネルの前記第１生体信号が入力されると前記ｑチャネルの前記第２生体信号を出力するよう構成され得る。

【0018】

（７）実施形態に係る方法は、生体信号の生成方法であり得る。生成方法は、第１配置で生体へ装着されるｍ（ｍは３以上の整数）個の電極からｐ（ｐは２以上の整数）チャネルの第１生体信号を取得し、前記ｐチャネルの前記第１生体信号を生成モデルに入力して、前記生成モデルからｑ（ｑは２以上の整数）チャネルの第２生体信号を出力する、ことを含み得る。前記ｑチャネルの前記第２生体信号は、第２配置で生体へ装着されるｎ（ｎは３以上の整数）個の電極から得られる信号に相当する信号であり得る。前記第２配置は、電極の数及び装着位置の少なくともいずれか一方において、前記第１配置とは異なる電極配置であり得る。前記生成モデルは、前記ｐチャネルの前記第１生体信号が入力されると前記ｑチャネルの前記第２生体信号を出力するよう構成され得る。

【0019】

（８）実施形態に係るコンピュータプログラムは、コンピュータに信号処理を実行させるコンピュータプログラムであり得る。前記信号処理は、第１配置で生体へ装着されるｍ（ｍは３以上の整数）個の電極からｐ（ｐは２以上の整数）チャネルの第１生体信号を取得し、前記ｐチャネルの前記第１生体信号を生成モデルに入力して、前記生成モデルからｑ（ｑは２以上の整数）チャネルの第２生体信号を出力する、ことを含み得る。前記ｑチャネルの前記第２生体信号は、第２配置で生体へ装着されるｎ（ｎは３以上の整数）個の電極から得られる信号に相当する信号であり得る。前記第２配置は、電極の数及び装着位置の少なくともいずれか一方において、前記第１配置とは異なる電極配置であり得る。前記生成モデルは、前記ｐチャネルの前記第１生体信号が入力されると前記ｑチャネルの前記第２生体信号を出力するよう構成され得る。

【0020】

コンピュータプログラムは、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体に記憶され得る。

【0021】

＜２．生体信号処理システム、信号処理装置、コンピュータプログラム、生体信号の生成方法の概要の例＞

【0022】

図１は、実施形態に係る生体信号処理システム１を示している。システム１は、電極装置１０と、信号処理装置２０と、を備える。電極装置１０は、第１生体信号を測定する。信号処理装置２０は、第１生体信号から、第１生体信号とは異なる第２生体信号を再構成する。

【0023】

電極装置１０は、第１生体信号を測定するため、生体の表面に装着される。なお、第１生体信号は、実施形態に係る電極装置１０によって測定される信号である。生体は、例えば、人である。生体信号は、例えば、生体の体表面電位である。体表面電位は、例えば、心臓その他筋肉の活動によって生じる、微弱な電位（数十マイクロボルト～数十ミリボルト）である。

【0024】

電極装置１０は、複数の電極Ｅ０～Ｅ１５を備える。ここでは、「複数の電極Ｅ０～Ｅ１５」を、「ｍ個の電極Ｅ０～Ｅ１５」ともいう。ｍは、３以上の整数であるのが好ましい。各電極Ｅ０～Ｅ１５は、体表面電位測定のため、体表面に接するように装着される。電極装置１０は、各電極Ｅ０～１５が体表面に接するように、体表面に取り付けられる。

【0025】

電極装置１０は、電極Ｅ０～Ｅ１５を支持するベースとして、シート１１を備える。シート１１は、例えば、薄いフィルム状の合成樹脂又はその他の材料によって構成される。シート１１は、好ましくは、可撓性を有する。シート１１が可撓性を有することで、体表面の形状に沿って、シート１１を貼り付けることができる。シート１１は、面方向に伸縮自在であるのが好ましい。シート１１は、透明又は半透明であるのが好ましい。

【0026】

図２に示すように、シート１１は、第１面１１ａと、第１面１１ａの反対面である第２面１１ｂと、を有する。第１面１１ａは、生体の体表面に貼り付けられる面である。第１面１１ａは、体表面への貼り付けのため、粘着性を有する。粘着性は、シート１１自体が有していてもよいし、第１面１１ａに粘着剤を塗布すること、又はその他の粘着性を生じさせるための表面処理を施すことによって得てもよい。

【0027】

ｍ個の電極Ｅ０～Ｅ１５は、第１面１１ａに設けられている。ｍ個の電極Ｅ０～Ｅ１５は、第１面１１ａ上において、露出するように設けられている。したがって、第１面１１ａが体表面に接するように、シート１１が体表面に貼り付けられると、電極Ｅ０～Ｅ１５は、体表面である皮膚に接する。各電極Ｅ０～Ｅ１５は、貼り付けられた位置における体表面電位を測定する。

【0028】

実施形態の電極装置１０においては、全ての電極Ｅ０～Ｅ１５が、単一のシート１１上に集積して設けられているため、シート１１を貼り付けるという１つの工程で、複数の電極Ｅ０～Ｅ１５を人に装着させることができる。したがって、電極装置１０の装着作業が容易である。

【0029】

また、実施形態の電極装置１０においては、全ての電極Ｅ０～Ｅ１５が、シート１１上に位置固定的に設けられている。この結果、電極Ｅ０～Ｅ１５の相対位置関係は、単一のシート１１（ベース）によって規制されて固定化されている。各電極Ｅ０～Ｅ１５の相対位置関係が固定化された状態であることは、第２生体信号の再構成を精度よく行う上で有利である。

【0030】

シート１１の第１面１１ａには、配線１２も設けられている。配線１２は、電極Ｅ０～Ｅ１５それぞれから、シート１１に取り付けられた通信装置１５まで延びる。配線１２は、図示しないコネクタを介して通信装置１５に接続されている。

【0031】

通信装置１５は、電極Ｅ０～Ｅ１５によって測定された第１生体信号を信号処理装置２０へ送信する。通信装置１５は、例えば、信号処理回路及び無線回路を備える。信号処理回路は、例えば、各電極Ｅ０～Ｅ１５によって測定された第１生体信号を増幅する増幅器、及び、増幅された信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換コンバータ等などを備える。無線回路は、デジタル信号を変調した無線信号を信号処理装置２０へ無線送信する。なお、通信装置１５は、有線送信によって、第１生体信号を信号処理装置２０へ送信してもよい。信号処理装置２０は、通信装置１５から送信された第１生体信号を受信し、第１生体信号を用いて、後述の処理を実行することで、第２生体信号を生成する。

【0032】

図３（Ａ）に示すように、電極装置１０は、一例として、電極Ｅ０～Ｅ１５が、人の胸部中央に位置するように人に装着される。電極Ｅ０～Ｅ１５が胸部中央に装着されると、電極Ｅ０～Ｅ１５の多くが、体表面において、心臓Ｈに重なる位置に存在するため有利である。心臓Ｈ付近の体表面（胸部中央付近）は、後述のように体表面電位の変化が大きいため、その心臓Ｈ付近の体表面（胸部中央付近）に、多数の集積化された電極Ｅ０～Ｅ１５を配置することで、体表面電位に関する多くの情報を得ることができ有利である。

【0033】

ここで、人の胸部は、人の前側の体表面のうち、体内において胸骨及び肋骨が存在する範囲である。胸部中央は、胸部の左右方向における、ほぼ中央の位置である。心臓は、胸部中央（のやや左寄り）にあるため、胸部中央は、心臓近傍の位置である。

【0034】

図３（Ｂ）は、人の胸部を含む上半身の体表面電位分布の一例を示している。図３（Ｂ）において、１６個の白い丸は、胸部中央に装着された１６個の電極Ｅ０～Ｅ１５を示す。図３（Ｂ）において、人体上に描かれた白線は、その白線の位置が同電位であることを示す。また、図３（Ｂ）において、Ａは、最も電位が大きい位置及び小さい位置のいずれか一方を示し、Ｂは、他方を示す。ＡとＢそれぞれの電位は、心臓の両端部において生じる。図３（Ｂ）に示すように、ＡとＢとの間は、白線が密集しており、電位の変化が大きい。

【0035】

図３（Ｂ）に示すように、胸部中央（図３（Ｂ）において１６個の白い丸が存在する範囲に概ね相当）においては、人の体表面に存在する電位の値のほとんどが分布している。すなわち、図３（Ｂ）において同電位を示す白線のほぼ全てが、胸部中央を通っている。胸部中央以外の範囲の電位の分布は、胸部中央付近を通った白線の分布によって決まる。このため、胸部中央の範囲内の複数の点における電位の情報は、胸部中央以外の体表面位置における電位を推測するために有用な情報となる。したがって、胸部中央に電極装置１０を装着して得られた第１生体信号を用いれば、他の位置における第２生体信号を求めることが可能になる。

【0036】

実施形態においては、一例として、信号処理装置２０は、第１生体信号を用いて、標準１２誘導心電図に相当する第２生体信号を生成する。一般に、標準１２誘導心電図を得る場合、４個の四肢電極Ｒ，Ｌ，Ｆ，Ｎ及び６個の胸部電極Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６の計１０個の電極を用いて、各電極の装着位置における電位が測定される。

【0037】

図４は、標準１２誘導心電図のための１０個（ｎ＝１０）の電極Ｒ，Ｌ，Ｆ，Ｎ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６の装着位置を示している。図４（Ａ）に示すように、電極Ｒは、右手に装着される。電極Ｌは、左手に装着される。電極Ｆは左足に装着される。電極Ｎは右足に装着される。図４（Ａ）に示すように、４個の四肢電極Ｒ，Ｌ，Ｆ，Ｎによって、Ｉ誘導、ＩＩ誘導、ＩＩＩ誘導、ａＶ_Ｒ誘導、ａＶ_Ｌ誘導、ａＶ_Ｆ誘導の計６チャネルの心電図（第２生体信号）を得ることができる。

【0038】

図４（Ｂ）に示すように、電極Ｃ１，Ｃ２，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６は、胸部に装着される。電極Ｃ１は、第４肋間胸骨右縁に装着され、Ｖ１誘導の心電図を得るために用いられる。電極Ｃ２は、第４肋間胸骨左縁に装着され、Ｖ２誘導の心電図を得るために用いられる。電極Ｃ３は、電極Ｃ２と電極Ｃ４との中間点に装着され、Ｖ３誘導の心電図を得るために用いられる。電極Ｃ４は、第４肋間と左鎖骨中線の交点に装着され、Ｖ４誘導の心電図を得るために用いられる。電極Ｃ５は、電極Ｃ４と同じ高さの水平線と左前腋窩線の交点との交点に装着され、Ｖ５誘導の心電図を得るために用いられる。電極Ｃ６は、電極Ｃ４と同じ高さの水平線と左中腋窩線との交点に装着され、Ｖ６誘導の心電図を得るために用いられる。

【0039】

このように、６個の電極Ｃ１，Ｃ２，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６によって、Ｖ１誘導、Ｖ２誘導、Ｖ３誘導、Ｖ４誘導、Ｖ５誘導、Ｖ６誘導の計６チャネルの心電図（第２生体信号）を得ることができる。

【0040】

したがって、標準１２誘導心電図としては、４個の四肢電極Ｒ，Ｌ，Ｆ，Ｎによる６チャネルと、６個の胸部電極Ｃ１，Ｃ２，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６による６チャネルの計１２チャネルの心電図（第２生体信号）を得ることができる。

【0041】

標準１２誘導心電図のための１０個（ｎ＝１０）の電極Ｒ，Ｌ，Ｆ，Ｎ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６は、それぞれ分離しており、それぞれの電極を、所定の位置に正確に装着させる必要がある。それぞれの電極が所定の位置に正確に装着されていないと、得られた心電図は、診断に役立たない。しかし、これら１０個の電極Ｒ，Ｌ，Ｆ，Ｎ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６を正確な位置に装着させるのは、医療従事者であっても容易ではないことがある。また、電極の装着に慣れた医療従事者がいない場合には、心電図の測定ができないことがある。

【0042】

しかし、実施形態のシステム１を用いると、電極装置１０によって得られた第１生体信号によって、標準１２誘導心電図に相当する第２生体信号を得ることができる。したがって、電極の装着の負担が軽減される。

【0043】

図３（Ａ）に戻り、実施形態の電極装置１０は、少なくとも１個の電極、好ましくは複数の電極Ｅ０～Ｅ１５が、心臓の位置と重なるように、胸部中央に装着される。ここでは、電極装置１０が生体に装着されたときの電極Ｅ０～Ｅ１５の配置を、「第１配置」という。図３（Ａ）は、第１配置の一例を示している。図３（Ａ）に示す第１配置は、集積化した１６個の電極Ｅ０～Ｅ１５が胸部中央に装着された電極配置である。

【0044】

また、第１配置とは異なる電極配置を、「第２配置」という。第２配置は、電極の数及び装着位置の少なくともいずれか一方において、第１配置と異なれば足りる。図４に示す標準１２誘導心電図のための電極配置は、第２配置の一例である。図４に示す第２配置は、電極の数及び装着位置の両方において、図３に示す第１配置と異なる。第２配置において、電極は、胸部中央に集中する第１配置に比べて、広範囲に装着される。

【0045】

図１及び図３に示す電極装置１０において、電極Ｅ０～Ｅ１５の数を示すｍは、１６である。すなわち、図１に示す電極装置１０は、１６個の電極Ｅ０～Ｅ１５を備える。これらの電極Ｅ０の中には、１個又はそれより多い基準電極Ｅ１５が含まれ得る。基準電極Ｅ１５は、基準となる生体表面電位（基準電位）を得るための電極である。図示の電極装置１０においては、左隅の電極Ｅ１５が基準電極である。ｍ個の電極Ｅ０～Ｅ１５のうち、基準電極Ｅ１５以外の電極Ｅ０～Ｅ１４は、信号処理装置２０に与えられるｐチャネル生体信号（生体表面電位）を測定するための測定電極である。ここでは、１５個の測定電極Ｅ０～Ｅ１４は、基準電位を基準とした１５チャネルの体表面電位（第１生体信号）を測定するために用いられる。なお、測定電極Ｅ０～Ｅ１４によって測定される電位は、他の測定電極Ｅ０～Ｅ１４を基準とした体表面電位であってもよい。他の測定電極Ｅ０～Ｅ１４を基準とした体表面電位も測定することで、電極数が同じでも、より多くのチャネルの第１生体信号（生体表面電位）を得ることができる。

【0046】

このように、図示の電極装置１０は、一例として、１６個（ｍ＝１６）の電極を有し、１５（ｐ＝１５）チャネルの第１生体信号を測定することができる。

【0047】

図１及び図３に示す電極装置１０において、電極Ｅ０～Ｅ１５は、シート１１上に２次元アレイ上に配列されている。より具体的には、１６個の電極Ｅ０～Ｅ１５は、縦４列、横４行の２次元アレイ配列である。なお、電極Ｅ０～Ｅ１５の配列は、２次元アレイ配列に限られるものではなく、その他の配置であってもよい。

【0048】

電極装置１０が備える電極Ｅ０～Ｅ１５の数ｍは、複数チャネルの生体信号を得るため少なくとも３個又はそれ以上であるのが好ましい。電極装置１０が備える電極Ｅ０～Ｅ１５の数ｍは、９個以上２５個以下であるのがより好ましく、１１個以上２０個以下であるのがさらに好ましい。

【0049】

電極装置１０が備える電極Ｅ０～Ｅ１５は、電極装置１０のコンパクト化又は取り扱いを容易にするため、集積化しているのが好ましい。例えば、全ての電極Ｅ０～Ｅ１５が、所定の大きさの基準範囲Ｘ内に位置するように集積されているのが好ましい。

【0050】

ここで、基準範囲Ｘは、例えば、全ての電極Ｅ０～Ｅ１５を内部に位置させることができる大きさを持つ正方形の範囲である。この基準範囲Ｘを構成する正方形の１辺の長さは、３０ｃｍ以下であるのが好ましい。１辺が３０ｃｍ程度の正方形内に全ての電極Ｅ０～Ｅ１５が収まるように集積化されていれば、電極Ｅ０～Ｅ１５を人の胸部に装着させるのが容易になる。

【0051】

また、基準範囲Ｘを構成する正方形の１辺の長さは、小さいほど好ましく、例えば、２５ｃｍ以下であるのがより好ましく、２０ｃｍ以下であるのがより好ましく、１５ｃｍ以下であるのがより好ましい。１辺の長さが小さいほど、電極の集積度合が高くなる。

【0052】

基準範囲Ｘを構成する正方形の１辺の長さは、小さすぎると、電極Ｅ０～Ｅ１５又は後述の配線の形成が困難になることがあるため、例えば、５ｃｍ以上であるのがより好ましく、１０ｃｍ以上であるのがより好ましい。

【0053】

実施形態において、第１生体信号は、複数チャネル取得される。すなわち、第１生体信号のチャネル数ｐは、２以上の整数であるのが好ましい。第１生体信号のチャネル数ｐは、多いほど、後述の第２生体信号の再構成に必要な情報量が多くなり、好ましい。

【0054】

図４に示す電極Ｒ，Ｌ，Ｆ，Ｎ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６の数を示すｎは、１０であり、これらの電極によって得られる第２生体信号のチャネル数を示すｑは、１２である。つまり、標準１２誘導心電図のための測定においては、１０個（ｎ＝１０）の電極が用いられ、１２（ｑ＝１２）チャネルの第２生体信号が測定される。なお、標準１２誘導心電図のための測定又はその他の第２生体信号の測定において、ｎは、３以上の整数であるのが好ましく、ｑは、２以上の整数であるのが好ましい。

【0055】

第１配置において得られるチャネル数ｐは、第２配置において得られるチャネル数ｑと同程度、又はチャネル数ｑよりも大きい値であるのが好ましい。第１配置のチャネル数ｐが、第２配置におけるチャネル数ｑよりも多い場合、第１配置において多くの信号を取得できるため、第２生体信号の再構成を精度良く行うことができる。例えば、第２配置が標準１２誘導心電図のための電極配置である場合、チャネル数ｑ＝１２又はそれ未満であり得る。ｑ＝１２である場合、電極装置１０を用いた第１配置におけるチャネル数ｐは、少なくともｑと同程度になるように、１０，１１，又は１２以上であるのが好ましい。また、電極装置１０を用いた第１配置におけるチャネル数ｐを、１３以上にすることで、チャネル数ｑよりも大きくなり好ましい。チャネル数ｐは、チャネル数ｑよりも十分大きいのがより好ましく、例えば、１４以上が好ましく、１５以上がさらに好ましい。

【0056】

第１配置における電極数ｍは、第２配置における電極数ｎと同程度、又は電極数ｎよりも大きい値であるのが好ましい。第１配置の電極数ｍが、第２配置における電極数ｎよりも多い場合、第１配置において多くの信号を取得し易く有利である。例えば、第２配置が標準１２誘導心電図のための電極配置である場合、電極数ｎ＝１０である。この場合、電極装置１０を用いた第１配置における電極数ｍは、少なくともｎと同程度になるように、９又は１０以上であるのが好ましい。また、電極装置１０を用いた第１配置における電極数ｍを、１１以上にすることで、電極数ｎよりも大きくなり好ましい。電極数ｍは、電極数ｎよりも十分大きいのがより好ましく、例えば、１２以上が好ましく、１５以上がさらに好ましい。

【0057】

また、第１配置は、生体の表面において、第２配置よりも電極が高密度に配置されているのが好ましい。

【0058】

図１に戻り、第１配置の電極装置１０から取得した複数チャネルの第１生体信号は、信号処理装置２０に与えられる。信号処理装置２０は、生成モデルを用いて、複数チャネルの第１生体信号は、複数チャネルの第２生体信号を生成する。なお、ここでは、所定期間の時系列の第１生体信号から、所定期間の時系列の第２生体信号が生成される。

【0059】

信号処理装置２０は、電極装置１０から送信された第１生体信号を受信するための通信装置２３を備える。通信装置２３は、例えば、Bluetooth（登録商標）などの近距離無線通信を行うための装置である。また、信号処理装置２０は、プロセッサ２１とプロセッサに接続された記憶装置２２とを有するコンピュータを備える。通信装置２３はコンピュータの内部に設けられていてもよいし、外部に設けられていてもよい。

【0060】

プロセッサ２１は、例えば、ＣＰＵである。記憶装置２２は、例えば、一次記憶装置及び二次記憶装置を備える。一次記憶装置は、例えば、ＲＡＭである。二次記憶装置は、例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）又はソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）である。記憶装置２２は、プロセッサ２１によって実行されるコンピュータプログラム２２ｃを備える。

【0061】

プロセッサ２１は、記憶装置２２に格納されたコンピュータプログラム２２ｃを読み出して実行する。記憶装置２２のコンピュータプログラム２２ｃは、コンピュータを、信号処理装置２０として動作させるための命令を含むプログラムコードを有する。信号処理装置２０の動作は、ｍ個の電極から、ｐチャネルの第１生体信号を取得し、取得したＰチャネルの第１生体信号を生成モデルに入力し、生成モデルからｑチャネルの第２生体信号を出力する処理を実行することを含む。

【0062】

記憶装置２２は、取得したｐチャネルの第１生体信号を保存する記憶領域２２ａを有する。また、記憶装置２２は、生成されたｑチャネルの第１生体信号を保存する記憶領域２２ｂを有する。

【0063】

図５は、信号処理装置２０によって実行される処理の手順を示している。図５に示す処理では、第１配置の電極Ｅ０～Ｅ１５から取得した第１生体信号から、第１配置とは異なる第２配置の電極によって得られるべき第２生体信号が生成される。つまり、図５に示す処理では、実際に測定された第１生体信号から、診断に必要とされる第２生体信号が再構築される。

【0064】

まず、ステップＳ１において、信号処理装置２０は、第１生体信号を取得する。例えば、信号処理装置２０は、通信装置２３を介した無線通信によって、電極装置１０から、ｐチャネルの第１生体信号を受信する。ステップＳ２において、信号処理装置２０は、受信した第１生体信号を記憶装置２２に保存する。

【0065】

図６は、１６個（ｍ＝１６）の電極Ｅ０～Ｅ１５によって測定された１５（ｐ＝１５）チャネルの第１生体信号（生体表面電位）の時系列データ（信号波形）を示している。図６では、ｃｈ０からｃｈ１４までの計１５チャネルの第１生体信号の波形が示されている。ｃｈ０からｃｈ１４までのチャネルそれぞれは、基準電極Ｅ１５の電位を基準電位として測定された電極Ｅ０から電極Ｅ１４それぞれにおける電位である。

【0066】

各信号波形において、縦軸は電位を示し、横軸は時間を示す。各信号波形は、同時に測定されたものであり、図６では、１１．０［ｓ］～１３．０［ｓ］までの同一期間における波形が示されている。なお、参考として、ｃｈ０の信号波形とともに、心電図におけるＰ波、Ｒ波、Ｔ波、Ｑ波、Ｓ波の位置が示されている。

【0067】

図６に示す１５チャネルの第１生体信号は、人の胸部中央において高密度に集積配置された電極Ｅ０～Ｅ１４の各位置における電位を示している。以下では、一例として、これらの１５（ｐ＝１５）チャネルの第１生体信号を用いて、標準１２誘導心電図に含まれる８（ｑ＝８）チャネルの心電図（第２生体信号）が生成される。以下で生成される８チャネルの心電図は、一例として、Ｉ誘導、ＩＩ誘導、Ｖ１誘導、Ｖ２誘導、Ｖ３誘導、Ｖ４誘導、Ｖ５誘導、及びＶ６誘導である。なお、ＩＩＩ誘導、ａＶ_Ｒ誘導、ａＶ_Ｌ誘導、ａＶ_Ｆ誘導も生成されてもよい。

【0068】

図５のステップＳ３において、信号処理装置２０は、生成モデル３０を用いて、同一期間のｐチャネルの第１生体信号の時系列データから、その期間におけるｑチャネルの第２生体信号を生成する。

【0069】

生成モデル３０は、ｐチャネルの第１生体信号が入力されると、ｑチャネルの第２生体信号を出力するよう構成されている。生成モデル３０は、一例として、ｐチャネルの第１生体信号が入力されると、ｑチャネルの第２生体信号を出力するよう機械学習された学習済モデル３０である。機械学習は、一例として深層学習である。

【0070】

図７は、生成モデル３０の一例を示している。図７（Ａ）は、生成モデル３０の機械学習フェーズの説明図であり、図７（Ｂ）は、第１生体信号から第２生体信号を再構築する推論フェーズの説明図である。生成モデル３０は、一例として、畳み込みニューラルネットワーク１１１と全結合層１１２とを備え、入力された第１生体信号の特徴量１１３を得るよう構成されている。生成モデル３０は、特徴量１１３から全結合層１１４によって第２生体信号を再構成して出力する。なお、入力される第１生体信号には、必要に応じて、ノイズ除去などの前処理が予め施される。

【0071】

図７（Ａ）に示すように、学習フェーズでは、学習用の第１生体信号と学習用の第２生体信号とを用いて、ニューラルネットワークであるモデル３０の機械学習が行われる。学習用の第１生体信号は、一例として、人の胸部中央に貼り付けられた電極装置１０に含まれる１６（ｍ＝１６）個の電極Ｅ０～Ｅ１５から取得した１５（ｐ＝１５）チャネルの心電図である（図６参照）。学習用の第２生体信号は、一例として、標準１２誘導心電図の測定のための１０（ｎ＝１０）個の電極から取得した８（ｑ＝８）チャネルの心電図である。８チャネルの心電図は、Ｉ誘導、ＩＩ誘導、Ｖ１誘導、Ｖ２誘導、Ｖ３誘導、Ｖ４誘導、Ｖ５誘導、及びＶ６誘導である。

【0072】

学習フェーズにおいては、学習用の第１生体信号と同時に同一人について測定された同一期間の学習用の第２生体信号とがペアとされる。学習用の第１生体信号がモデル３０に入力されると、学習用の第２生体信号が再構成されるように、モデル３０の機械学習が行われる。

【0073】

機械学習には、学習用の第１生体信号と学習用の第２生体信号とのペアが、複数人分用いられる。異なる複数人の学習用信号を用いることで、モデル３０は、個人差にかかわらず第２生体信号を精度よく生成できる。

【0074】

また、電極装置１０の人体への貼り付け位置及び貼り付け角度には、ばらつきが生じ得る。しかし、そのようなばらつきを含む多数の学習用信号を用いて、モデル３０の機械学習をすることで、貼り付け位置及び貼り付け角度が多少不適切であっても、精度良く、第２生体信号を生成することができる。したがって、実施形態の電極装置１０の貼り付けは、正確さが多少損なわれていてもよく、標準１２誘導心電図のための電極の貼り付けに比べて、容易である。この結果、電極装置１０を医療従事者が貼り付けるのが容易になるのはもちろん、電極装置１０が貼り付けられる患者自らが、容易に、電極装置１０を貼り付けることもできる。したがって、実施形態の電極装置１０は、自宅等の医療施設外で、心電図を測定するために用いられ得る。このため、実施形態の電極装置１０は、遠隔医療等に活用され得る。

【0075】

図７（Ｂ）に示すように、推論フェーズ（図５のステップＳ３に相当）では、第１生体信号がモデル３０に入力される。モデル３０は、第１生体信号から再構成された第２生体信号を出力する。推論フェーズで入力される第１生体信号は、一例として、人の胸部中央に貼り付けられた電極装置１０に含まれる１６（ｍ＝１６）個の電極Ｅ０～Ｅ１５から取得した１５（ｐ＝１５）チャネルの心電図である（図６参照）。再構成される第２生体信号は、一例として、標準１２誘導心電図における８（ｑ＝８）チャネルの心電図である。８チャネルの心電図は、Ｉ誘導、ＩＩ誘導、Ｖ１誘導、Ｖ２誘導、Ｖ３誘導、Ｖ４誘導、Ｖ５誘導、及びＶ６誘導である。

【0076】

図８は、４人分の学習用の第１、第２生体信号を用いて機械学習した生成モデル３０を用いて生成された８チャネル第２生体信号（心電図）を示している。第２生体信号の生成のため、生成モデル３０には、被験者の胸部中央に貼り付けられた電極装置１０から得られた１５チャネルの第１生体信号の所定期間の時系列データが入力される。所定期間は、心臓の１拍分以上の時間長さを持つのが好ましい。なお、被験者は、学習用信号が測定された４人とは異なる人物である。

【0077】

図８の各心電図において、縦軸は電位を示し、横軸は時間を示す。図８において、実線で示される「再構成」の波形は、生成モデル３０によって再構成された波形である。図８において、点線で示される「リファレンス」の波形は、被験者に標準１２誘導心電図のための電極を貼り付けて、第１生体信号と同時に測定されたリファレンス信号である。「再構成」の波形が「リファレンス」に近似しているほど、再構成の精度がよいといえる。そして、図８に示すように、「再構成」の波形は、「リファレンス」に近似しており、再構成を精度よく行えている。しかも、図８に示す「再構成」波形は、４人分の学習用信号を用いて機械学習されたモデル３０を用いたものであるため、より多数の学習用信号を用いて機械学習されたモデル３０を用いることで、第２生体信号の再構成の精度を更に高めることが期待できる。

【0078】

図５に戻り、ステップＳ４において、信号処理装置２０は、生成された第２生体信号を記憶装置２２に保存する。また、信号処理装置２０は、生成された第２生体信号を外部に出力することができる（ステップＳ５）。外部に出力することは、例えば、ディスプレイへの表示、プリンターによる印刷、ネットワークへの送信である。外部に出力された第２生体信号は、例えば、医師による診断に用いられる。本実施形態によれば、標準１２誘導心電図のための電極を患者に正確に装着させなくても、標準１２誘導心電図に含まれる心電図を得ることができ有利である。

【0079】

なお、実施形態に係る装置・システムは、心電図の測定・生成用に限られるものではなく、骨格筋筋電図又は内蔵平滑筋筋電図などその他の生体信号の測定・生成用にも用いることができる。

【0080】

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

【符号の説明】

【0081】

１ ：生体信号処理システム
１０ ：電極装置
１１ ：シート
１１ａ ：第１面
１１ｂ ：第２面
１２ ：配線
１５ ：通信装置
２０ ：信号処理装置
２１ ：プロセッサ
２２ ：記憶装置
２２ａ ：記憶領域
２２ｂ ：記憶領域
２２ｃ ：コンピュータプログラム
２３ ：通信装置
３０ ：生成モデル
１１１ ：畳み込みニューラルネットワーク
１１２ ：全結合層
１１３ ：特徴量
１１４ ：全結合層
Ｃ１ ：胸部電極
Ｃ２ ：胸部電極
Ｃ３ ：胸部電極
Ｃ４ ：胸部電極
Ｃ５ ：胸部電極
Ｃ６ ：胸部電極
Ｅ０ ：電極
Ｅ１ ：電極
Ｅ２ ：電極
Ｅ３ ：電極
Ｅ４ ：電極
Ｅ５ ：電極
Ｅ６ ：電極
Ｅ７ ：電極
Ｅ８ ：電極
Ｅ９ ：電極
Ｅ１０ ：電極
Ｅ１１ ：電極
Ｅ１２ ：電極
Ｅ１３ ：電極
Ｅ１４ ：電極
Ｅ１５ ：電極
Ｆ ：四肢電極
Ｈ ：心臓
Ｌ ：四肢電極
Ｎ ：四肢電極
Ｒ ：四肢電極
Ｘ ：基準範囲
ｍ ：電極数
ｎ ：電極数
ｐ ：チャネル数
ｑ ：チャネル数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】