JP4782141B2 - Method and apparatus for electronic biometric identification recognition - Google Patents
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Description
本出願は、2004年11月8日出願のPCT出願第PCT/IB04/03899号に優先権を主張するものであり、該PCT出願は2003年7月24日出願の国際特許出願第PCT/US2003/23016号の一部継続出願であり、該国際出願は2002年7月29日出願の米国仮出願60/398832号の利益を主張するものである。その開示内容の全体は参照の上本明細書に援用される。 This application claims priority to PCT Application No. PCT / IB04 / 03899 filed on Nov. 8, 2004, which is PCT / US2003, filed Jul. 24, 2003. No./23016, which is a continuation-in-part application, which claims the benefit of US Provisional Application No. 60/399832, filed July 29, 2002. The entire disclosure is incorporated herein by reference.
自動バンキングサービス、eコマース、eバンキング、e投資、eデータ保護、リソースへのリモートアクセス、eトランザクション、ワークセキュリティ、盗難防止用デバイス、犯罪認識、安全エントリ、及び職場でのエントリ登録を含む多数の生活識別局面で、識別認識は重要な役割を果たす。 Numerous including automated banking services, e-commerce, e-banking, e-investment, e-data protection, remote access to resources, e-transactions, work security, anti-theft devices, crime recognition, safety entry, and workplace entry registration Identification recognition plays an important role in the life identification phase.
コンピュータ化されたシステムでは、ユーザ認識のため、パスワードと個人識別番号(PIN)がしばしば利用される。しかし、安全性を維持するために、パスワードは定期的に変更されねばならず、このことはユーザに負荷をかけることになる。同様に、署名認証法は、偽造や記載詐欺を含む他の欠点に悩まされる。例えば、Beatsonらによる特許文献1を参照されたい。 In computerized systems, passwords and personal identification numbers (PINs) are often used for user identification. However, in order to maintain security, the password must be changed periodically, which places a burden on the user. Similarly, signature verification methods suffer from other shortcomings including counterfeiting and fraud. See, for example, US Pat.
結果として、個人の生物学的現象の計測−バイオメトリクス−を利用する識別認識システムが、近年成長を遂げた。単独利用で、若しくは、スマートカード、暗号鍵、デジタル署名などの他の技術と統合されて、バイオメトリクスは、経済界及び我々の日々の生活のほぼ全ての局面に行き渡ることが予想されている。 As a result, identification and recognition systems that utilize the measurement of individual biological phenomena—biometrics—have grown in recent years. Used alone or integrated with other technologies such as smart cards, cryptographic keys, digital signatures, biometrics are expected to reach almost every aspect of the business community and our daily lives.
指紋認識、網膜虹彩認識、顔認識、及び音声認識を含むバイオメトリクス認識のための、進歩的技術が複数開発されている。例えば、Shockleyらによる特許文献2は、指紋認識などのバイオメトリックデータを利用して、個人のためのコンピュータアクセスをオーソライズすることを概略記載する。Scheidtらによる特許文献3は、バイオメトリックデータを利用する識別認証を記載する。Duludeらによる特許文献4は、バイオメトリック認証証明書の一部として、指紋、掌形認識、網膜虹彩スキャン、及びスピーチパターンの利用を記載する。Murakamiらによる特許文献5は、バイオメトリック認証のための、赤外線放射を含む“生理学的及び組織学的マーカ”を記載する。しかしながら、これらのタイプの技術は、複雑で不親切な取得手順、(採光状況や背景音などの)環境パラメータへの敏感性、及び高コストのために、限定された市場にしか浸透しない。更に、複雑な取得手順のために、前述の技術は通常、オペレータの傾注を要求する。 Several advanced techniques have been developed for biometric recognition including fingerprint recognition, retinal iris recognition, face recognition, and speech recognition. For example, U.S. Patent No. 6,053,086 by Shockley et al. Outlines the use of biometric data such as fingerprint recognition to authorize computer access for individuals. U.S. Pat. No. 6,053,097 by Scheidt et al. Describes identification and authentication using biometric data. U.S. Pat. No. 6,053,096 to Dulude et al. Describes the use of fingerprints, palm recognition, retinal iris scans, and speech patterns as part of a biometric authentication certificate. U.S. Pat. No. 6,057,031 to Murakami et al. Describes “physiological and histological markers” including infrared radiation for biometric authentication. However, these types of technologies only penetrate limited markets due to complex and unfriendly acquisition procedures, sensitivity to environmental parameters (such as lighting conditions and background sounds), and high cost. Furthermore, because of complex acquisition procedures, the techniques described above typically require operator attention.
指紋認識は、確立された技術であり最も成熟した技術である。しかし、幾つかの欠点がある。指紋認識システムは、指紋所有者の肉体の存在を照合できず従って誤る傾向があり、オンラインの利用例に対する適合性を制限してしまう。光学センサは、高価で脆弱なデバイスであり、消費市場には概略不適合である。更に、該システムは、犯罪学に関わるマイナスの意味合いを負っている。 Fingerprint recognition is an established and most mature technology. However, there are some drawbacks. Fingerprint recognition systems cannot verify the presence of the fingerprint owner's body and thus tend to be erroneous, limiting their suitability for online use cases. Optical sensors are expensive and fragile devices and are generally incompatible with the consumer market. Moreover, the system has negative implications for criminology.
網膜走査技術は、高パフォーマンスで特徴付けられる。しかしながら、それらは高精度光学センサを要求し、更にそれらは頭位の操作及び非常に鋭敏な器官である人間の目への操作を要求するのであるから利用し易いものとはいえない。光学センサは高価で脆弱である。 Retinal scanning technology is characterized by high performance. However, they require high-precision optical sensors, and furthermore, they are not easy to use because they require maneuvering of the head position and manipulation of the human eye, which is a very sensitive organ. Optical sensors are expensive and fragile.
虹彩及び顔面認識システムは、遠くから画像を撮り非侵入的であるので、使いやすい技術である。しかしながら、それらはデジタル写真器具を要求し、更に採光状況、瞳孔サイズ変化、及び顔面表情に鋭敏である。更に、虹彩認識のパフォーマンスは、暗い色の眼鏡やコンタクトレンズの利用により退行してしまい、顔面認識は顔まねにより惑う可能性がある。 The iris and face recognition system is an easy-to-use technology because it takes images from a distance and is non-intrusive. However, they require digital photographic equipment and are more sensitive to lighting conditions, pupil size changes, and facial expressions. In addition, the performance of iris recognition may be degraded by the use of dark glasses or contact lenses, and facial recognition may be confused by imitation of the face.
音声認識は最も使いやすい技術であるが、しかしながら、その技術は低ノイズの設定を要求し、イントネーションを含む固有の可変のスピーチパラメータに非常に鋭敏である。更に、現存する従来の録音技術は、スピーチベースの認識システムを欺くために利用される可能性がある。 Speech recognition is the most easy-to-use technique, however, it requires a low noise setting and is very sensitive to the inherent variable speech parameters including intonation. Furthermore, existing conventional recording techniques can be used to deceive speech-based recognition systems.
従って、スタンドアローンで利用され得る、又は、現存のセキュリティシステムと統合され得る、信頼でき確固としており、(オンラインでもオフラインでも)欺くのが困難であり、低コストで使いやすい同一性認識システムを求める要求が存在する。 Thus, there is a need for an identity recognition system that can be used standalone or integrated with existing security systems that is reliable, robust, difficult to deceive (online or offline), low cost and easy to use. A request exists.
数年に渡り、心電図(“ECG”)計測が、多数の様々な目的のために利用されてきた。心電図信号は心臓により生成される電気信号であり、通常患者の胸部に搭載される従来技術の表面電極を利用して採取され得る。心電図信号は、個々の心臓鼓動の間の種々の機能段階を示す複数の成分で構成され、発電組織の電位方向に従って突出する。 Over the years, electrocardiogram (“ECG”) measurements have been used for a number of different purposes. The electrocardiogram signal is an electrical signal generated by the heart and can be collected utilizing a prior art surface electrode usually mounted on the patient's chest. The electrocardiogram signal is composed of a plurality of components indicating various functional stages between individual heart beats, and protrudes according to the potential direction of the power generation tissue.
心臓組織構造、心臓方向、及び電気組織方向における通常の変化による、心電図信号において、個人は、種々の、患者特有の詳細を示すのであり、それら心臓組織構造、心臓方向、及び電気組織方向の全ては、四肢から計測される心電図信号に影響する。多数のタイプのシステムは、これらの患者特有の変化を利用する。 In an electrocardiogram signal due to normal changes in cardiac tissue structure, cardiac direction, and electrical tissue direction, an individual will show various patient-specific details, all of the cardiac tissue structure, cardiac direction, and electrical tissue direction. Affects the ECG signal measured from the extremities. Many types of systems take advantage of these patient-specific changes.
例えば、Blazeyらによる特許文献6は、心電図信号を利用して、個人の生理学的及び認識状況を評価し、又はプロファイルすることを記載する。識別といえば、非特許文献1は、識別のために、患者の心電図を予め登録された心電図特性パラメータと、比較する。Wiederholdは、特許文献7で、直接に又は遠隔で収集された心電図信号を利用して患者を識別することを提案し、個人を識別するための特性抽出を“探索し”、そのような方法の“予備分析”を提示する。
For example, U.S. Patent No. 6,053,009 by Blazey et al. Describes using an electrocardiogram signal to assess or profile an individual's physiological and cognitive status. Speaking of identification, Non-Patent
しかし、心電図信号は、一つのグループに共通し得る特性を有する心電図成分で構成される。これらの文献のうちには、心電図成分の共通特性を除去して患者識別のためのシグニチャを形成するようなシステム、又は方法を記載するものは無い。従って、これらの特質によって個人を識別するシステム及び方法に対する要求は、依然存在する。 However, the electrocardiogram signal is composed of electrocardiogram components having characteristics that can be common to one group. None of these documents describe a system or method that removes common characteristics of ECG components to form a signature for patient identification. Thus, there remains a need for systems and methods that identify individuals by these attributes.
この背景技術における前述の文献の提示は、本明細書に開示される発明に関してそれらが先行技術若しくは類似技術であることを自認するものではない。しかしながら、この背景技術の記載における文献の全ては、本明細書に完全に設定されるものとして、参照の上組み込まれる。
出願人は、バイオメトリック識別の前述問題に対して、複数の形態を有する種々の装置及び方法による解決策を与える。 Applicants provide solutions with various devices and methods having multiple forms to the aforementioned problem of biometric identification.
第1の形態では、以下の方法及びその変形例の利用によって、バイオメトリック識別に関する前述の問題の各々を解決する。即ち、
特定個人の心臓鼓動パターンの表現と複数個人の心臓鼓動パターンの共通特性の格納された表現との間で差異を形成して、特定個人を識別する第1のバイオメトリックシグニチャを作成して格納するステップと、
上記作成するステップの後、選択された個人の心臓鼓動パターンの表現を取得し、上記選択された個人の心臓鼓動パターンと上記複数個人の心臓鼓動パターンの共通特性の格納された表現との間で差異を形成して、第2のバイオメトリックシグニチャを作成するステップと、
上記第2のバイオメトリックシグニチャを上記第1のバイオメトリックシグニチャと比較し、上記選択された個人が上記特定個人であるか判定するステップと
を含む方法である。
In the first form, each of the aforementioned problems relating to biometric identification is solved by using the following method and its variants. That is,
Creating and storing a first biometric signature that identifies the particular individual by forming a difference between the representation of the heart beat pattern of the particular individual and the stored representation of the common characteristics of the heart beat patterns of the plurality of individuals Steps,
After the creating step, obtain a representation of the selected individual's heart beat pattern and between the stored representation of the selected individual's heart beat pattern and the common characteristics of the plurality of individual heart beat patterns. Forming a difference to create a second biometric signature;
Comparing the second biometric signature with the first biometric signature and determining whether the selected individual is the specific individual.
この形態に係るシステムは、心電図信号収集モジュール、心電図シグニチャ生成器を含む心電図信号処理モジュール、及び、出力モジュールを含む。 The system according to this aspect includes an electrocardiogram signal acquisition module, an electrocardiogram signal processing module including an electrocardiogram signature generator, and an output module.
従って、この第1の形態によると、本明細書に開示されるシステム及び方法は、生体電気信号を無比の電子バイオメトリックシグニチャに変換する。心電図シグニチャの無比性により、システムを欺くことは困難となり、方法固有の強固性により、ローカルだけでなくリモート及びオンラインの利用で、理想的なものとなる。更に、バイオメトリックシグニチャベースのシステムは、高識別パフォーマンスにより特徴付けられ、開かれたサーチモードと閉じられたサーチモードの両方をサポートする。 Thus, according to this first aspect, the systems and methods disclosed herein convert bioelectric signals into unmatched electronic biometric signatures. The incomparable ECG signature makes it difficult to deceive the system, and the inherent robustness makes it ideal for remote as well as local and online use. Furthermore, biometric signature based systems are characterized by high discrimination performance and support both open and closed search modes.
第1の形態に係る一つの好適な方法では、一つ又は複数の心電図成分の格納される表現は、複数の個人のためのその表現を計測して格納し格納された表現の全てを平均することによって、得られる。一方で、共通特性は、主成分解析、ファジークラスタリング解析、ウエーブレット分解などの技術により取得され得る。 In one preferred method according to the first aspect, the stored representation of one or more ECG components measures and stores that representation for multiple individuals and averages all of the stored representations Can be obtained. On the other hand, the common characteristics can be acquired by techniques such as principal component analysis, fuzzy clustering analysis, and wavelet decomposition.
この第1の心電図方法は強固であるので、別の利点もある。それらは、低コストでユーザフレンドリな収集装置として実装され得る簡素で率直な収集技術を許容し、更に、熟練のオペレータを求める必要を排除する。 Since this first electrocardiogram method is robust, there is another advantage. They allow a simple and straightforward collection technique that can be implemented as a low-cost, user-friendly collection device, and further eliminates the need for skilled operators.
これらのシステム及び方法に関する変形によると、一つ又は複数の患者の心電図成分の共通特性は、経験的モデルの代わりに、若しくは、それに加えて、一つ又は複数の心電図成分の共通特性の解析モデルを利用して、除かれ得る。同様に、まず格納された表現をサブグループに分類し、少なくとも一つのサブグループ内の共通特性を識別し、サブグループに従って患者特性を分類し、患者信号から一つ又は複数のサブグループ心電図成分の共通特性を除いて患者シグニチャを形成し、サブグループシグニチャに対する患者のシグニチャの相関を計算して患者を識別することによって、共通特性は除かれ得る。 According to variations on these systems and methods, the common characteristic of the electrocardiographic component of one or more patients is an analytical model of the common characteristic of one or more electrocardiographic components instead of or in addition to the empirical model. Can be removed. Similarly, the stored representation is first classified into subgroups, common characteristics within at least one subgroup are identified, patient characteristics are classified according to the subgroups, and one or more subgroup ECG components are identified from the patient signal. Common characteristics can be eliminated by forming patient signatures excluding common characteristics and calculating patient signature correlations to subgroup signatures to identify patients.
共通特性は、個人のグループから、同調させた心電図を平均化することで決定され得、続いて、患者の心電図から差し引かれて患者のシグニチャを決定する。しかしながら、この方法は、共通特性は個人のグループにおいて一定であることを仮定する。実際には、所与の個人においてある程度大きく若しくは小さく、共通特性は存在する。従って、共通特性を除いて患者のシグニチャを取得する前に、所与の患者の心電図に最も良くフィットするように、共通特性を近似することがより良い。この擬寿トランジスタは、患者のシグニチャを拠り正確に決定するためのものである。 Common characteristics may be determined from a group of individuals by averaging the synchronized electrocardiograms, and then subtracted from the patient's electrocardiograms to determine the patient's signature. However, this method assumes that the common characteristics are constant in a group of individuals. In practice, there is a common characteristic that is somewhat larger or smaller for a given individual. Thus, it is better to approximate the common characteristics to best fit a given patient's electrocardiogram before obtaining the patient signatures excluding the common characteristics. This pseudo-lifetime transistor is for accurately determining the patient's signature.
この方法によれば、心電図のグループは特徴的波形のセットに解体(分解)され得る。グループの共通特性を表す特性波形は加重され、患者の心電図内に存在する共通特性の範囲を最も良く近似する。それから近似は患者の心電図から差し引かれる。残余のものは、患者の心電図シグニチャを含む。 According to this method, a group of electrocardiograms can be disassembled (decomposed) into a set of characteristic waveforms. The characteristic waveform representing the common characteristic of the group is weighted to best approximate the range of common characteristics present in the patient's ECG. The approximation is then subtracted from the patient's ECG. The remainder includes the patient's ECG signature.
多数のテンプレートは、種々の心拍数で個別に生成される多数シグニチャを格納することなどにより、個別の患者のためにも維持され得る。この実施形態では、患者シグニチャは、適切な心拍数のためのものなどの、適切なテンプレートと相関付けされてもよい。よって、変形例では、本明細書に開示のシステム及び方法は、ある範囲の情況及び反応における個人を識別する多数のシグニチャテンプレートを用いてもよい。一方で、又は、更に、第1の形態によって、患者信号及び登録信号は、心拍数に基づいて正規化されてもよい。 Multiple templates can also be maintained for individual patients, such as by storing multiple signatures that are individually generated at various heart rates. In this embodiment, the patient signature may be correlated with an appropriate template, such as for an appropriate heart rate. Thus, in a variation, the systems and methods disclosed herein may use multiple signature templates that identify individuals in a range of situations and reactions. Meanwhile, or in addition, according to the first embodiment, the patient signal and the registration signal may be normalized based on the heart rate.
本明細書に開示の第2の形態によると、識別のためのプロセスは、動的閾値を設定してもよい。この動的閾値は、信頼スコアにより決定されるような、識別内の信頼の所望レベルに基づいてもよい。 According to the second form disclosed herein, the process for identification may set a dynamic threshold. This dynamic threshold may be based on the desired level of confidence in the identification, as determined by the confidence score.
本明細書に開示の第3の形態によると、本明細書に開示のシステム及び方法は“Qファクタ”を利用してノイズによる信号の汚れを減じるかを決定してもよい。同様に、Qファクタ、若しくは別の信号性質の計測が利用され、所望の信頼レベルで患者を識別するのに要求される患者サンプルの長さを決定しても良い。それは、サンプルが将来の比較に対しても適切であるように、所望の信頼レベルでサンプルを登録するのにも、利用されても良い。 According to a third aspect disclosed herein, the systems and methods disclosed herein may utilize a “Q factor” to determine whether to reduce signal contamination due to noise. Similarly, Q-factor or other signal quality measurements may be utilized to determine the length of patient sample required to identify the patient with a desired confidence level. It may also be used to register samples with a desired confidence level so that the samples are appropriate for future comparisons.
“Qファクタ”計算に関する別の実施形態では、本明細書に開示のシステム及び方法は、ノイズのための、患者のシグニチャ、及び/又は、登録されたシグニチャの標準偏差を計算し、それらの計算から信号性質が識別に適切であるかを判定しても良い。 In another embodiment relating to “Q factor” calculation, the systems and methods disclosed herein calculate patient signatures and / or standard deviations of registered signatures for noise and calculate them. From this, it may be determined whether the signal property is appropriate for identification.
同様に、本明細書に開示のシステム及び方法は、接触部若しくはプローブのインピーダンスを計測して、信号性質を判定しても良い。この形態に係る信号性質計測は、センサ若しくはプローブとの接触を調整するように、又は、センサ若しくはプローブに対する配置を調整するように、患者に知らせるのにも、利用され得る。 Similarly, the systems and methods disclosed herein may measure the impedance of contacts or probes to determine signal properties. The signal property measurement according to this configuration can also be used to inform the patient to adjust the contact with the sensor or probe or to adjust the placement relative to the sensor or probe.
第4の形態によると、患者及びデータベースシグニチャは、シグニチャに対する非認証のアクセス及び利用に対する安全警戒として、暗号化されても良い。 According to a fourth aspect, patient and database signatures may be encrypted as a security warning against unauthenticated access and use of the signatures.
第5の形態によると、心電図信号は、一貫した信号を生じるある身体部位と接触して配置される電極により、収集され得る。ある体の配置に対しては、電極配置の僅かな変化でも、受信信号形態でドラスティックな変化を生じることもあり、明瞭な信号成分を生じさせたり消してしまったりすることが起こり得る。よって、この形態では、本明細書に開示のシステム及び方法は、部位内での電極配置の変動に拘わらず強固である患者特有の一貫した信号を生成する電極配置部位を利用しても良い。これらの部位は、(指やつま先を含む)腕や足を含む。これらの部位内の電極配置の強固さは、電極が四肢先端に近い限り変動しない、一貫した心電図信号の射出から生じる。 According to a fifth form, the electrocardiogram signal can be collected by electrodes placed in contact with a body part that produces a consistent signal. For a certain body arrangement, even a slight change in electrode arrangement can cause a drastic change in the received signal form and can cause a clear signal component to be generated or eliminated. Thus, in this form, the systems and methods disclosed herein may utilize an electrode placement site that produces a patient-specific consistent signal that is robust despite variations in electrode placement within the site. These sites include arms and legs (including fingers and toes). The robustness of electrode placement within these sites arises from consistent ECG signal emission that does not vary as long as the electrode is close to the limb tip.
この同じ第5の形態によると、極めて高いインピーダンス感知プローブとして周知の、ある感知プローブは、指などの単一の身体ポイントからの信号を含む、信号を収集するように用いられてもよい。一方で、又は更に、これらの極めて高いインピーダンスプローブは、心電図信号を遠隔で感知し、このことにより信号の一貫性を維持しつつ電極配置の困難性を排除し得る。 According to this same fifth form, one sensing probe, known as a very high impedance sensing probe, may be used to collect signals, including signals from a single body point such as a finger. On the other hand, these very high impedance probes can remotely sense the electrocardiogram signal, thereby eliminating electrode placement difficulties while maintaining signal consistency.
第6の形態によると、本明細書に開示のシステム及び方法は、登録不正に対して保護し、且つ、データベース登録者が患者の識別を表せない可能性を減じさせる要素及びステップを含んでも良い。 According to a sixth aspect, the systems and methods disclosed herein may include elements and steps that protect against registration fraud and reduce the likelihood that a database registrant will not be able to represent patient identification. .
第7の形態によると、本明細書に開示のシステム及び方法は、患者の適合スコアをデータベース登録者の適合スコアと比較することにより、患者を識別し得る。 According to a seventh aspect, the systems and methods disclosed herein can identify a patient by comparing the patient's fitness score with a database registrant's fitness score.
第8の形態によると、本明細書に開示のシステム及び方法は、加重相関技術を用いて、シグニチャを生成するために種々の加重を種々の心電図信号成分に帰するようにしてもよい。一方で、又は更には、二乗平均平方根計算若しくはL1メトリクスを含む種々のメトリクスを用いてシグニチャが正規化されても良い。 According to an eighth aspect, the systems and methods disclosed herein may use weighted correlation techniques to attribute different weights to different ECG signal components to generate signatures. On the other hand, or in addition, the signatures may be normalized using various metrics including root mean square calculation or L1 metrics.
受信するユーザデータが有効であることを保証するチャレンジレスポンスプロトコルを、バイオメトリック技術が利用することもある。その場合、バイオメトリックデータの再生によりシステムが欺かれる危険が減じられ得る。しかしながら、今までは、バイオメトリックシステムのためのチャレンジレスポンスメカニズムは、ユーザに能動的な参加を要求してきた。更に能動的なユーザの参加は、ユーザの照合プロセスを面倒にして拡大する。例えば、音声認識システムは、通常、ユーザがランダムに選択された言葉や文章を繰り返すことを要求する。従って、別の形態によると、バイオメトリックIDシステムは、ユーザからの意識的な応答を要求しない生物学的チャレンジレスポンスメカニズムを有利に利用することによって、欺かれるリスクを減じ得る。 Biometric techniques may utilize a challenge response protocol that ensures that the received user data is valid. In that case, the risk of the system being deceived by the reproduction of the biometric data can be reduced. Until now, however, challenge response mechanisms for biometric systems have required active participation from users. In addition, active user participation increases and complicates the user verification process. For example, speech recognition systems typically require a user to repeat a randomly selected word or sentence. Thus, according to another aspect, the biometric ID system can reduce the risk of deception by advantageously utilizing a biological challenge response mechanism that does not require a conscious response from the user.
前述の形態の各々に係るシステム及び方法は、認識を識別するために、それらのタスクを自動的に行うことが好ましい。更に、これらのシステム及び方法は、広範囲のデバイス及びシステムの中に組み込まれ得る。少しの限定の無い例は以下の通りである。スマートカード、パスポート、運転免許装置、バイオログオン識別装置、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)、細胞埋め込み識別装置、盗難防止装置、心電図モニタ装置、eバンキング装置、e取引装置、ペット識別装置、物理的アクセス装置、論理的アクセス装置、及び、心電図と指紋モニタ、血圧モニタ、及び/又は、他の形態のバイオメトリックデバイスを組み合わせた装置。 The systems and methods according to each of the foregoing forms preferably perform their tasks automatically to identify recognition. Further, these systems and methods can be incorporated into a wide range of devices and systems. A few non-limiting examples are as follows: Smart card, passport, driver's license device, biologon identification device, personal digital assistant (PDA), cell implantation identification device, anti-theft device, electrocardiogram monitor device, e banking device, e transaction device, pet identification device, physical access device , Logical access devices, and devices that combine electrocardiograms and fingerprint monitors, blood pressure monitors, and / or other forms of biometric devices.
更に、本明細書に開示のシステム及び方法は、患者のQRS群の幅、若しくはより一般的には患者のQRS関連シグニチャ成分を、登録されたグループのもの、若しくは解析心電図モデルと比較するなどして、個人の年齢を識別するのに利用され得る。 Further, the systems and methods disclosed herein compare the width of a patient's QRS complex, or more generally, the patient's QRS-related signature components to those of a registered group, or an analytical ECG model, etc. Can be used to identify an individual's age.
別の例では、本明細書に開示のシステム及び方法は、一連のドラッグ関連シグニチャテンプレートを登録して計算することなどによって、若しくは解析的に導出することなどによって、投薬中の個人を識別するのに利用され得る。この方法は、薬物を利用して自分の心電図信号を変えてしまうことによって、システムを欺こうとする患者を識別し若しくは捕捉するのにも利用され得る。 In another example, the systems and methods disclosed herein identify an individual being administered, such as by registering and calculating a series of drug-related signature templates, or by analytically deriving. Can be used. This method can also be used to identify or capture patients attempting to deceive the system by using drugs to alter their ECG signals.
建物及び室アクセスコントロール、サーベイランスシステムアクセス、ワイヤレスデバイスアクセス、コントロール及びユーザ照合、携帯電話起動、(ラップトップ経由、PC、マウス、及び/又はキーボードを含む)コンピュータアクセスコントロール、(ドキュメントコントロールを含む)データアクセス、公共交通の乗客認識、エレベータアクセスコントロール、小火器ロッキング、(イグニションスタート及びドアロック経由を含む)乗物コントロールシステム、スマートカードコントロール及びスマートカードクレジット認証、(著作権保護作品を含む)オンライン−ライン部材へのアクセス、電子チケット、核物質のアクセス及びコントロール、ロボットコントロール、航空機アクセス及びコントロール(乗客識別、飛行制御、メンテナンス作業員のアクセス)、自動販売機アクセス及びコントロール、ローンドロマット洗濯機/乾燥機アクセス及びコントロール、ロッカーアクセス、子供が操作できないロック、テレビ及び/又はビデオアクセスコントロール、解読キーアクセス及び利用、キャッシュレススロットマシン、スロットマシンメンテナンスアクセス、(オンライントランザクション機能を含む)ゲームコンソールアクセス、(ネットワークアクセス及びコントロールを含む)コンピュータネットワークセキュリティ、POS購買者識別、(顧客識別及び口座アクセスを含む)オンライントランザクション、現金支払いサービス若しくは電信送金識別、建物メンテナンスアクセス及びコントロール、及び、インプラント医療機器プログラミングコントロールを、本明細書に開示のシステム及び方法を利用する他の利用例が、含むものである。他の利用例は当業者には明白であり、本開示の範囲内のものである。 Building and room access control, surveillance system access, wireless device access, control and user verification, mobile phone activation, computer access control (via laptop, PC, mouse, and / or keyboard), data (including document control) Access, public transport passenger recognition, elevator access control, firearm locking, vehicle control systems (including ignition start and via door lock), smart card control and smart card credit verification, online line (including copyright protection work) Access to components, electronic tickets, nuclear material access and control, robot control, aircraft access and control (passenger identification, flight control, Maintenance worker access), vending machine access and control, Londro matte washer / dryer access and control, locker access, children inoperable lock, TV and / or video access control, decryption key access and use, cash Slot machine, slot machine maintenance access, game console access (including online transaction functions), computer network security (including network access and control), POS buyer identification, online transactions (including customer identification and account access), cash Payment service or wire transfer identification, building maintenance access and control, and implant medical device programming controller The other usage example of using systems and methods disclosed herein is intended to include. Other applications will be apparent to those skilled in the art and are within the scope of this disclosure.
どの利用例に対しても、前述の形態のどれにも係る若しくは全てに係る装置は、連続して若しくは要求に応じて、動作し得る。装置は、一つ又は複数の電極を個人に接触させることにより、若しくは、センサを個人から離隔して設けることにより、選択された個人の心臓鼓動パターンの表現を取得するように、構成され得る。装置がスマートカード内に設けられると、装置は、連続する認識の後限定された期間動作可能であり、その後次の連続する認識が実施されるまで動作不能となる。装置は、暗号化キー若しくはデジタルシグニチャにより動作するように構成されても良い。 For any application, an apparatus according to any or all of the above-described forms may operate continuously or on demand. The device may be configured to obtain a representation of the heartbeat pattern of the selected individual by contacting one or more electrodes with the individual or by providing a sensor spaced from the individual. When the device is provided in a smart card, the device can be operated for a limited time after successive recognitions and then inoperable until the next successive recognition is performed. The device may be configured to operate with an encryption key or a digital signature.
本明細書に開示の方法に関して、前述の方法のステップは、連続して実施されても良く、別の順序で実施されても良い。本明細書に開示のシステム及び方法は、人間に対して、若しくは別の動物の患者に対して、利用されても良い。 With respect to the methods disclosed herein, the method steps described above may be performed sequentially or in a different order. The systems and methods disclosed herein may be utilized for humans or for patients of another animal.
これらの形態の各々は相互に、置き換えて及び組み合わせて、利用されても良い。修正、変形、及び拡張のみならず更なる実施形態も、本明細書に記載されるものである。 Each of these forms may be used interchangeably, interchangeably and in combination. Additional embodiments as well as modifications, variations, and extensions are also described herein.
本明細書に開示のシステム及び方法は、バイオメトリック識別の前述問題に対して解決策を与え得る。 The systems and methods disclosed herein may provide a solution to the aforementioned problem of biometric identification.
[定義]
他に指示がなければ、“識別する”、“識別すること”及び“識別”の用語の意味は、夫々、“識別を証明する”、“識別を証明すること”及び“識別の証明”の概念を含むものとする。
[Definition]
Unless otherwise indicated, the terms “identify”, “identify” and “identify” have the meanings of “proving identity”, “proving identity” and “proof of identity”, respectively. Including concepts.
“閉じられたサーチ”は、一つの格納されたシグニチャが審査されて個人の識別を証明するような、サーチを意味する。 “Closed search” means a search in which a single stored signature is examined to verify the identity of the individual.
“開かれたサーチ”は、複数の格納されたシグニチャが調査されて患者を識別するような、サーチを意味する。 “Open search” means a search where a plurality of stored signatures are examined to identify a patient.
[第1の形態]
第1の形態によると、生物−電気信号が収集され、処理されて解析され個人識別を識別する。この第1の形態に係るシステム及び方法の好適な実施形態は、例として、図1に示される。図1は、電子−バイオメトリック識別(E−BioID)と呼ばれるシステムを示す。この好適な形態では、複数の個人の一つ又はそれ以上の心電図コンポーネントの共通特性の格納される表現は、それら個人の一つ又はそれ以上の心電図コンポーネントの平均である。しかしながら、他の実施形態は、様々なタイプの共通特性の格納される表現を利用する。例えば、主成分解析、ファジークラスタリング解析、ウエーブレット分解により遂げられるもの、又は、解析モデルにより得られるものなどである。
[First embodiment]
According to a first form, bio-electrical signals are collected, processed and analyzed to identify personal identification. A preferred embodiment of the system and method according to this first aspect is shown by way of example in FIG. FIG. 1 shows a system called electro-biometric identification (E-BioID). In this preferred form, the stored representation of the common characteristics of one or more ECG components of a plurality of individuals is an average of the one or more ECG components of those individuals. However, other embodiments utilize stored representations of various types of common characteristics. For example, it is achieved by principal component analysis, fuzzy clustering analysis, wavelet decomposition, or obtained by an analysis model.
好適な実施形態では、E−BioIDシステムの基本要素は、信号取得モジュール12、信号処理モジュール14、及びアウトプットモジュール16を含み、それらは1つのハウジングに実装される。別の好適な実施形態では、システムは、局所的に取得された電子−バイオメトリック信号をリモートで解析するのに設けられる。図1に示される要素の各々は、本開示と組み合わせて既に周知である原理及び技術に基づいて、当業者により容易に実施され得る。
In a preferred embodiment, the basic elements of the E-BioID system include a
図2は、E−BioIDシステムでの信号取得モジュールの構成の好適な構成を示す。データ取得モジュールは、一つ又はそれ以上のセンサ22、プリアンプ24、バンドパスフィルタ26、及びアナログデジタル(A/D)コンバータ28を含むのが好ましい。これらの要素の各々は、本開示と組み合わせて既に公知である原理及び技術に基づいて、当業者であれば容易に実施され得る。
FIG. 2 shows a preferred configuration of the signal acquisition module in the E-BioID system. The data acquisition module preferably includes one or more sensors 22, a
センサ22は、鼓動パターンを検出できるどのタイプのものでもよい。例えば、標準的なコンピュータキーボードの“付加装置”として接続される金属プレートセンサであればよい。別の形態では、単体のセンサは、それ自身、指で触れるなど、単体の接触ポイントから信号を取得し得る。一方で、センサは患者に全く触れなくてもよい。 The sensor 22 may be of any type that can detect a beating pattern. For example, a metal plate sensor connected as an “additional device” of a standard computer keyboard may be used. In another form, a single sensor may acquire a signal from a single contact point, such as touching itself with a finger. On the other hand, the sensor may not touch the patient at all.
図3は、E−BioIDシステムでの信号処理モジュール14の好適な要素を示す。信号処理モジュールは、デジタル信号プロセッサ(DSP)32、デュアルポートラム(DPR)34、電気的消去プログラム可能読み取り専用メモリ(E2PROM)36、及びI/Oポート38を含むのが好ましい。これらの要素の各々は、本開示と組み合わせて既に公知といえる原理及び技術に基づいて、当業者であれば容易に実施され得る。信号処理モジュール14は、ポート38を介して、信号取得モジュール12及び出力モジュール16に接続する。
FIG. 3 shows the preferred elements of the
別の実施形態では、信号処理モジュールは、適切なプログラムによりパーソナルコンピュータで実現可能である。そのパーソナルコンピュータは拡張可能計算機プラットフォームであり、家庭、オフィス若しくは大学/企業環境での現存するコンピュータ施設の中にシステムを簡単に統合できる。 In another embodiment, the signal processing module can be implemented on a personal computer by a suitable program. The personal computer is an extensible computer platform that allows easy integration of the system into existing computer facilities in a home, office or university / business environment.
出力モジュール16は、LCDやCRTモニタなどの専用ディスプレイユニットから構成されるのが好ましく、ロッキング機構などの外部電気装置の動作のための中継器を含んでもよい。一方で、出力モジュールは、認識結果を更なる活動のために遠隔場所に中継する通信ラインを含んでもよい。
The
[信号取得、処理、及び分析]
生体電気信号、即ち心臓鼓動信号は、簡素な方法で取得され、その方法では患者は数秒間少なくとも1つのセンサに接触するように指示される。金属プレートでもよい一つ又はそれ以上のセンサは、生体電気信号をアンプ24に導き、アンプ24は生体電気信号を所望の電圧範囲に増幅する。好適な実施形態では、電圧範囲は0〜5ボルトである。
[Signal acquisition, processing and analysis]
The bioelectric signal, i.e. the heartbeat signal, is obtained in a simple way, in which the patient is instructed to contact at least one sensor for a few seconds. One or more sensors, which may be metal plates, direct the bioelectric signal to the
増幅された信号は、4〜40Hzの好適な周波数範囲以外の寄与を除去するために、フィルタ26を通過する。一方で、より広い範囲の0.1〜100Hzがノッチフィルタと共に利用され主要な周波数干渉(50/60Hz)が拒絶されてもよい。信号のデジタル化は、好ましくは約250Hzのサンプリング周波数で、12−ビットA/Dコンバータ28によって為されるのが好ましい。
The amplified signal passes through
モジュール14では、信号は、概ね外因性電気特性に関連する信号規模変数を説明するために、’R’ピークの規模で正規化される。正規化されたデータは、予め格納される電子−バイオメトリックテンプレートに対比される電子−バイオメトリックシグニチャに変換される。対比の結果は、定量化され、任意で信頼度は割り当てられ、出力モジュール16に伝送される。出力モジュール16はE−BioIDシステムの利用者に認識内容をフィードバックし、錠やサイレンなどの外部装置、ネットワークログイン確認などの仮想装置、又は通信リンクも活動させ得る。
In
一方で、若しくは更に、信号は脈拍数に対して正規化されてもよい。心電図信号は、周知の心電図変動である脈拍数での変動により影響されるので、このことは有用である。脈拍数変動は、心電図信号の’QRS’成分に関する’P’と’T’成分の、潜伏的な、振幅及び形態の変動を生じ得る(これらの成分は図7に示される)。しかしながら、脈拍数変動は、信号複合体の遡及的な脈拍数駆動調整により、自動的に補填され得る。しかも、システムの適応動作モードは、脈拍数誘導変動を追跡して補填できる。心臓鼓動波形の1周期の時間スケールを圧縮若しくは拡張することにより、このことは為され得る。波形特性(例えば、S−T、P−Qセグメント期間)と脈拍数の間の関係を規定するより洗練された処方も利用され得る。このように、この変動に係る方法は、心電図信号識別に基づくものであり、解析は心臓鼓動と同期して実施され、一般集団に共通する特性を除去し、このことにより電子−バイオメトリック、若しくはバイオメトリック、シグニチャを構成し生の心電図信号では通常検出できない患者特有の特性を拡張する。 On the other hand, or in addition, the signal may be normalized to the pulse rate. This is useful because the electrocardiogram signal is affected by variations in pulse rate, a well-known electrocardiogram variation. Pulse rate variation can cause latent amplitude and shape variations of the 'P' and 'T' components with respect to the 'QRS' component of the electrocardiogram signal (these components are shown in FIG. 7). However, pulse rate variation can be compensated automatically by retrospective pulse rate driven adjustment of the signal complex. In addition, the adaptive operating mode of the system can track and compensate for pulse rate induced variation. This can be done by compressing or expanding the time scale of one cycle of the heartbeat waveform. More sophisticated prescriptions that define the relationship between waveform characteristics (eg, ST, PQ segment duration) and pulse rate may also be utilized. Thus, this variation method is based on electrocardiogram signal identification, and the analysis is performed in synchrony with the heartbeat to remove characteristics common to the general population, thereby making it an electro-biometric, or Biometrics and signatures are constructed to extend patient-specific characteristics that are not normally detectable with raw ECG signals.
別の実施形態では、E−BioIDシステムは、多くの機能要素がASICベースのシステムで実装されている完全に統合されたコンパクトデバイスとして実現される。 In another embodiment, the E-BioID system is implemented as a fully integrated compact device with many functional elements implemented in an ASIC-based system.
別の実施形態では、装置は手首に着装する時計に組み込まれることができ、その場合信号は、時計が着装される腕の手首と着装者の別の腕との間で計測される。時計の背面は、手首の背面と接触する(例えば、金属プレートの)導電媒質からなり、時計の表面には、別の手の指で接触される必要がある別の金属プレートが設けられる。時計は、着装者の識別の確認を示し、及び/又は、ドア、コンピュータ、金庫などの物理的若しくは論理的にロックされた装置を起動する信号を伝送してもよい。時計は、着装者の個人情報も伝送してもよい。同様に、装置はベルトに組み込まれてもよく、誘電媒質を含むどのアパレルアイテムに組み込まれてもよい。ベルト若しくは他のアパレルアイテムは、着装者の識別の確認を示し、及び/又は、物理的若しくは論理的にロックされた装置を起動し、及び/又は、着装者の個人情報を伝送する信号を、伝送してもよい。 In another embodiment, the device can be incorporated into a watch worn on the wrist, in which case the signal is measured between the wrist of the arm on which the watch is worn and another arm of the wearer. The back of the watch is made of a conductive medium that contacts the back of the wrist (eg, a metal plate), and the surface of the watch is provided with another metal plate that needs to be touched with the fingers of another hand. The watch may indicate confirmation of the wearer's identity and / or transmit a signal to activate a physically or logically locked device such as a door, computer, safe or the like. The watch may also transmit the wearer's personal information. Similarly, the device may be incorporated into a belt and may be incorporated into any apparel item that includes a dielectric medium. A belt or other apparel item may indicate confirmation of the wearer's identity and / or activate a physically or logically locked device and / or a signal carrying the wearer's personal information, It may be transmitted.
[動作の原理]
バイオメトリック認識は、新たに取得されたバイオメトリックシグニチャを、登録若しくは記録されたバイオメトリックシグニチャテンプレートデータベースのシグニチャテンプレートと比較することが求められる。ここでは、システム動作の2つのフェーズ:登録と認識が要求される。
[Principle of operation]
Biometric recognition requires that a newly acquired biometric signature be compared to a signature template in a registered or recorded biometric signature template database. Here, two phases of system operation are required: registration and recognition.
[登録フェーズ]
好適な実施形態では、個々の新しい患者は、左手の指で第1のセンサに触れ、右手の指で別のセンサに触れるように指示される。別の実施形態では、患者は、好ましくは手や足である体の他の部位で、通常金属からなるセンサに触ってもよい。別の実施形態では、患者は、体の単一のポイントで単一のセンサに触ってもよい。一方で、患者はセンサに触らなくてもよい。システムは、患者の脈拍数をモニタし記録を開始し、少なくとも20秒間続けるのが好ましい。要求される正確さのレベルに依存するが、より短い間隔も用いられ得る。記録が終了すると、システムは、登録されたセグメントの2つの部分から導出される少なくとも2つのバイオメトリックシグニチャを比較してシグニチャの一貫性を照合するセルフテストを行う。2つの部位は、2つの半分のものでもよく、2つのより大きい重なり合うセグメントであってもよい。2つの部位は、2つのバイオメトリックシグニチャを導出するのに利用される。セルフテスト結果が成功すれば、その患者の登録が終了し、成功しなければ、手順が繰り返される。成功した記録が、心電図信号、若しくは一連の心電図信号の構築の為に利用され、それらは心電図信号データベースに付加される。
[Registration phase]
In a preferred embodiment, each new patient is instructed to touch the first sensor with the left hand finger and touch another sensor with the right hand finger. In another embodiment, the patient may touch a sensor, usually made of metal, at other parts of the body, preferably the hands or feet. In another embodiment, the patient may touch a single sensor at a single point on the body. On the other hand, the patient may not touch the sensor. The system preferably monitors and starts recording the patient's pulse rate and continues for at least 20 seconds. Depending on the level of accuracy required, shorter intervals can also be used. When recording is complete, the system performs a self-test that compares the consistency of the signatures by comparing at least two biometric signatures derived from the two parts of the registered segment. The two sites may be two halves or two larger overlapping segments. Two sites are used to derive two biometric signatures. If the self-test result is successful, the patient is enrolled, and if not successful, the procedure is repeated. Successful records are used to construct an ECG signal or series of ECG signals that are added to the ECG signal database.
心電図信号は、データセットに参加された患者の全て若しくはサブセットに共通する特性を除去することによって、心電図シグニチャテンプレートのセットに変換され、このことにより、患者特質識別特性を強化することになる。 The ECG signal is converted into a set of ECG signature templates by removing characteristics common to all or a subset of patients participating in the data set, thereby enhancing patient characteristic identification characteristics.
好適な実施形態では、システムは、全平均の心電図テンプレートを形成するが、その全平均は、全体プールの患者の正規化された心電図信号の同期平均により計算される。全平均は、上述の共通特性を表象し、従って心電図信号の各々からの全平均の差異は、明瞭な、患者特質の電子バイオメトリックテンプレートシグニチャのセットを生じることになる。別の実施形態では、主成分分析、ファジークラスタリング解析若しくはウエーブレット分解などの共通特性を除去する他の手段が、利用され得る。 In a preferred embodiment, the system forms an overall average electrocardiogram template, which is calculated by a synchronous average of the normalized ECG signals of patients in the entire pool. The total average represents the common characteristics described above, and thus the difference of the total average from each of the ECG signals will result in a clear, patient-specific set of electronic biometric template signatures. In other embodiments, other means of removing common properties such as principal component analysis, fuzzy clustering analysis or wavelet decomposition may be utilized.
別の好適な実施形態では、心電図のグループは特徴波形のセットに分類(分解)されてもよい。この好適な実施形態によれば、ノイズは、個人のグループの心電図から除去される。システムは、主成分解析(PCA)を利用してグループの心電図を直交(無相関)成分に分解する。これら無相関成分は、総合すれば、信号の全体エネルギを表し、これは100%の信号変動である。 In another preferred embodiment, the ECG group may be classified (decomposed) into a set of feature waveforms. According to this preferred embodiment, noise is removed from the ECG of a group of individuals. The system decomposes the electrocardiogram of the group into orthogonal (non-correlated) components using principal component analysis (PCA). Together, these uncorrelated components represent the overall energy of the signal, which is 100% signal variation.
PCA表現の最も大きい固有値に係る第1の主成分。グループの心電図のうち、通常3から5の第1の成分、及び、いずれにせよ10以下の第1の成分は、通常、心電図のエネルギ及び分散の約90%を表し、共通の特性を含む。これらの最初の成分は人的集団において全体として存在し安定的な共通特性を表す。結果として、これらの第1の主成分は、どの患者のシグニチャを識別するのにも利用され、個々の患者に対して再計算される必要がない。(通常、全体波形エネルギの10%に過ぎない)残余のより小さい成分は、ノイズ、及びグループの幾分の個人の情報を表す。 A first principal component related to the largest eigenvalue of the PCA representation. Of the electrocardiograms in the group, the first component, usually 3 to 5, and in any case the first component of 10 or less usually represents about 90% of the ECG energy and variance and includes common characteristics. These first components exist as a whole in the human population and represent stable common properties. As a result, these first principal components are used to identify any patient signature and need not be recalculated for each individual patient. The smaller residual component (usually only 10% of the total waveform energy) represents noise and some personal information of the group.
グループの共通する特性を表す特性波形が、患者の心電図から減じられる。その残余には、更に残るノイズに加えて、患者の心電図シグニチャが含まれる。 A characteristic waveform representing the common characteristics of the group is subtracted from the patient's electrocardiogram. The remainder includes the patient's ECG signature in addition to the remaining noise.
特性波形は様々に形成可能であり、個々の波形間の所望の“距離”若しくは“オーバラップ”に依存する。例えば、相関関数は波形間の所望の距離を決定するのに利用され得るのが好ましい。但し、他の方法でもよい。 Characteristic waveforms can be variously formed, depending on the desired “distance” or “overlap” between the individual waveforms. For example, the correlation function can preferably be used to determine a desired distance between waveforms. However, other methods may be used.
顕著なことであるが、心電図が登録データセットに加わっていない個人から採取されれば、登録データセット及びそれらの時間シフトバージョンに関する3から4の第1の主成分のみを通常参照することで、彼若しくは彼女の心電図シグニチャを判定することが可能である。 Notably, if an electrocardiogram is taken from an individual who has not joined the enrollment data set, usually referring only to the 3 to 4 first principal components for the enrollment data set and their time-shifted versions, It is possible to determine his or her ECG signature.
[シグニチャの判定]
全ての患者の心電図は、多かれ少なかれ、第1の主成分の各々を含む。この好適な実施形態では、患者の心電図は、以下の方程式に係るサンプルセットから主成分を利用して、近似され得る。
All patients' electrocardiograms contain more or less each of the first principal components. In this preferred embodiment, the patient's electrocardiogram may be approximated utilizing principal components from a sample set according to the following equations:
この式では、Ciは再構成係数であり、pはモデルオーダであり、PCは主成分である。目的は、患者の心電図を最もよく近似するためデータベースの主成分に重みを付ける係数を見出すことである。言い換えれば、目的は、データベースの主成分に重みを付けることにより構成される患者の信号の近似と、元の患者の信号との間のエラーを最小限にすることである。 In this equation, C i is a reconstruction coefficient, p is a model order, and PC is a principal component. The goal is to find a coefficient that weights the principal components of the database to best approximate the patient's ECG. In other words, the goal is to minimize the error between the approximation of the patient signal constructed by weighting the principal components of the database and the original patient signal.
このことは様々な方法で為され得る。一つの方法は、再構成エラーのノルムを最小限にする最小自乗近似を用いて、再構成係数を決定することである。これを以下に示す。
最適な係数が決定されると、以下の式に従って(3又は4などの)データベースの第1の主成分を総和するのに利用され得る。
この総和は、患者の信号から減じられる。そうすると、患者のシグニチャ及び恐らくノイズが残る。
This can be done in various ways. One method is to determine the reconstruction factor using a least square approximation that minimizes the norm of the reconstruction error. This is shown below.
Once the optimal coefficient is determined, it can be used to sum the first principal component of the database (such as 3 or 4) according to the following equation:
This sum is subtracted from the patient's signal. This leaves the patient's signature and possibly noise.
更に、定義上、ノイズは無相関であるから、最後の主成分、即ち最小の固有値に係るものにより、通常ノイズが記述される。結果として、ノイズは、これらの最後の主成分に重み付けし患者のシグニチャと最適に適合させそれから患者信号からそれらを除去するというようにして、患者信号からの除去を行ってもよい。ノイズは他の方法により除去されてもよい。 Furthermore, since noise is uncorrelated by definition, normal noise is described by the last principal component, ie, the one associated with the smallest eigenvalue. As a result, noise may be removed from the patient signal such that these last principal components are weighted and optimally matched with the patient signature and then removed from the patient signal. Noise may be removed by other methods.
[潜伏的変動の説明]
心電図成分のデータベースの変動には、潜伏的変動、即ち登録されたデータシグニチャの時間変動によるものがある。結果として、前述の方法は、主成分を時間シフトすることにより向上され得るのであり、シフトは右でも左でも構わない。例えば、3の主成分が共通心電図特性を近似するのに利用されるのであれば、6以上の成分が、右シフトでも左シフトでも、個々の成分に対して2つ、潜伏的変動となるように加えられ得る。
[Explanation of latent fluctuations]
Some variations in the ECG component database are due to latent variations, i.e., temporal variations in registered data signatures. As a result, the method described above can be improved by time shifting the principal components, and the shift can be right or left. For example, if the three principal components are used to approximate the common electrocardiogram characteristics, two or more components will become latent fluctuations for each component, whether right shift or left shift. Can be added to.
この例では、3の主成分と6倍のシフト成分が、構成係数を計算するのに利用される。そして、最良の構成係数が決定されると、共通特性成分が構成され元の患者の心電図シグニチャから減じられて個人のシグニチャが生成される。
図4は、100人の患者のプールから抽出した第1の6個の影響力の大きいPC(主成分)と、データ変動の表現に対する第1の10個のPC(主成分)の寄与を示す。図5は、元の心電図信号、及び、3個の影響力の大きいPC(主成分)とそれらの潜伏的なシフトバージョンとの最適な組合せを除去することによって構成されるそれらの個々のシグニチャとを示す。 FIG. 4 shows the contribution of the first six high-impact PCs (principal components) extracted from a pool of 100 patients and the first ten PCs (principal components) to the representation of data variation. . FIG. 5 shows the original ECG signals and their individual signatures constructed by removing the optimal combination of the three influential PCs (principal components) and their latent shifted versions. Indicates.
PCAは、メイン信号、二次的変動及びノイズの間における規模の明確な区別を、成分に関する漸進的で影響の大きい表現に与える確固としたアルゴリズムであるが、少なくとも2つの別途の技術が、グループの心電図を分解するのに利用され得る。第1の別途の実施形態では、独立成分分析(ICA)が、(PCAの直交成分と対照的に)複合信号を独立成分に分解するのに利用され得る。これらの独立成分は、PCAと類似のやり方で、心電図をモデル化し再構成するのに利用され得る。 PCA is a robust algorithm that gives a clear distinction of magnitude between main signal, secondary fluctuations and noise to a progressive and high-impact representation of the components, but at least two separate technologies are grouped Can be used to decompose the electrocardiogram. In a first separate embodiment, independent component analysis (ICA) can be utilized to decompose the composite signal into independent components (as opposed to the orthogonal components of PCA). These independent components can be used to model and reconstruct an electrocardiogram in a manner similar to PCA.
第2の別の実施形態では、ウエーブレット分解(WD)が、複合信号を、ウエーブレットと称される時間スケール波形のセットに分解するのに利用され得る。WDは、(連続するサイン及びコサインの分解に基づく)フーリエ分解とは対照的に、過渡のウエーブレット波形に基づく。結果として、ウエーブレットが心電図のような過渡の信号成分をより実効的に記載するという点において。WDはフーリエ解析に対して利点を有する。 In a second alternative embodiment, wavelet decomposition (WD) can be utilized to decompose the composite signal into a set of time-scale waveforms called wavelets. WD is based on a transient wavelet waveform as opposed to Fourier decomposition (based on successive sine and cosine decomposition). As a result, the wavelet more effectively describes transient signal components such as electrocardiograms. WD has advantages over Fourier analysis.
一方で、更に、共通特性は、記録データから計算される経験的モデルを利用するのではなく、一つ又はそれ以上の心電図成分の共通特性のための解析モデルを利用することにより、除去され得る。 On the other hand, moreover, common characteristics can be eliminated by using an analytical model for common characteristics of one or more ECG components, rather than using an empirical model calculated from recorded data. .
別の好適な実施形態では、サブセット内の相似とサブセット間の格差を強めるように、データベースは複数のサブセットに分割される。該実施形態では、一つ又はそれ以上のサブセットに対する、明白な総平均、若しくは他の共通特性判定を計算する。このデータベースの区分はそれ自身、線形分類、ベイズ分類、ファジー分類若しくはニューラルネットワークなどの標準的なパターン分類スキームを利用して、為され得る。膨大なデータベースの場合、心電図信号間の類似性の適切な表現としての総平均の妥当性を保証するためだけでなく、サーチプロセスを簡素化し短くするためにも、データベースをサブセットに区分することが有用である。患者のシグニチャは、適当なサブグループ内で見出される共通特性を除去することにより、生成されることになる。 In another preferred embodiment, the database is divided into a plurality of subsets so as to increase the similarity within the subsets and the gaps between the subsets. In this embodiment, an apparent total average or other common characterization for one or more subsets is calculated. This database partitioning can itself be done using standard pattern classification schemes such as linear classification, Bayesian classification, fuzzy classification or neural networks. For large databases, it is possible to partition the database into subsets, not only to ensure the validity of the total average as an appropriate representation of the similarity between ECG signals, but also to simplify and shorten the search process. Useful. Patient signatures will be generated by removing common characteristics found within the appropriate subgroups.
図6は、データベースに加えられた20人の患者のプールから構成された、総平均の例を示す。 FIG. 6 shows an example of a total average composed of a pool of 20 patients added to the database.
図7は、心電図信号の10例を示し、図8は、データベース内に含まれる全ての患者に共通の特性を除去することによって上記心電図信号から導出された電子−バイオメトリックテンプレートシグニチャを示す。特に、図8の個々のシグニチャは、図7の対応する信号から図6の波形を差し引くことによって得られる。元の心電図信号が相当に類似していても、導出される電子−バイオメトリックシグニチャが顕著に異なることが見られる。これらの差異は、E−BioIDシステムの認識可能性の根拠をなす独特の心電図格差を本来的に反映することがわかる。 FIG. 7 shows 10 examples of an electrocardiogram signal, and FIG. 8 shows an electro-biometric template signature derived from the electrocardiogram signal by removing characteristics common to all patients included in the database. In particular, the individual signatures of FIG. 8 are obtained by subtracting the waveform of FIG. 6 from the corresponding signal of FIG. It can be seen that even though the original ECG signals are quite similar, the derived electro-biometric signatures are significantly different. It can be seen that these differences inherently reflect the unique ECG disparity that underlies the recognizability of the E-BioID system.
[認識フェーズ]
認識フェーズでは、患者は登録フェーズのときと同様にシステムに係わるが、しかしながら数秒のオーダーのより短い記録時間で充分となる。
[Recognition phase]
In the recognition phase, the patient is involved in the system as in the registration phase, however, a shorter recording time on the order of a few seconds is sufficient.
好適な実施形態では、システムは照合手続き(閉じられたサーチ)を実行する。システムは取得された信号を処理し、全体データベース内に見出される、データベースの区分サブグループ内に見出される、若しくは解析心電図モデルにより与えられる共通特性を除去することによって電子−バイオメトリック患者シグニチャを形成し、シグニチャを脈拍数に従って調整し、調整された電子−バイオメトリックシグニチャを患者の登録された電子−バイオメトリックシグニチャテンプレートと比較する。 In the preferred embodiment, the system performs a matching procedure (closed search). The system processes the acquired signals and forms an electro-biometric patient signature by removing common characteristics found in the entire database, found in a partitioned subgroup of the database, or provided by an analytical ECG model. The signature is adjusted according to the pulse rate, and the adjusted electronic-biometric signature is compared to the patient's registered electronic-biometric signature template.
別の好適な実施形態では、システムは識別手続き(開かれたサーチ)を実行する。システムは、全体データベース若しくはデータベースの区分サブグループに対する比較処理を繰り返し、調和する識別の同定を行う。 In another preferred embodiment, the system performs an identification procedure (open search). The system repeats the comparison process for the entire database or database sub-groups to identify matching identifications.
[比較プロセス]
好適な実施形態では、比較は、電子−バイオメトリックシグニチャσjと電子−バイオメトリックシグニチャテンプレートΦiとの間の相関係数ρを計算することにより、実施される。以下のようになる。
[Comparison process]
In a preferred embodiment, the comparison is performed by calculating a correlation coefficient ρ between the electron-biometric signature σj and the electron-biometric signature template Φi. It becomes as follows.
相関係数は、2乗されつつその元の符号を維持する:η=sign(ρ)*|ρ|2。別の実施形態では、比較は、電子−バイオメトリックシグニチャの間のRMSエラーなどの、他の類似の測定に基づいてもよい。 The correlation coefficient keeps its original sign while being squared: η = sign (ρ) * | ρ | 2 . In another embodiment, the comparison may be based on other similar measurements, such as RMS error between the electronic-biometric signatures.
閉じられたサーチか開かれたサーチか操作のモードに依存して、比較により一つ若しくは複数の相関係数を生じる。閉じられたサーチでは、符号が維持された2乗相関係数(η)は、認識判定を為すために利用される。所与の閾値より大きい値は、肯定的な識別、即ち合致として受けとめられる。ボーダライン、閾値近傍の値は、記録の拡張若しくは繰り返しの必要を示し得る。開かれたサーチでは、最も高い係数が選択された閾値より上であれば、全ての符号維持2乗相関係数の中での最大の符号維持2乗相関係数により、最も本当らしい患者識別を生じることになる。 Depending on the closed or open search or mode of operation, the comparison yields one or more correlation coefficients. In the closed search, the square correlation coefficient (η) whose code is maintained is used to make a recognition determination. A value greater than a given threshold is accepted as a positive identification or match. Borderline, values near the threshold may indicate the need to extend or repeat the recording. In an open search, if the highest coefficient is above the selected threshold, the largest sign-preserving square correlation coefficient of all the sign-preserving square correlation coefficients will give the most likely patient identification. Will occur.
前もってセットされた閾値は、要求される信頼レベルから導出される。より高い所望の信頼レベルはより高い閾値を要求する。一つの実施形態では、0.8より大きい符号維持2乗相関値は適合の特性を示し、0.7より小さい符号維持2乗相関値は不適合の特性を示す。従って、0.8より大きい符号維持2乗相関値は真の適合値と考えることができ、0.7より小さい値は不適合値と考えることができる。 The preset threshold is derived from the required confidence level. A higher desired confidence level requires a higher threshold. In one embodiment, a sign preserving square correlation value greater than 0.8 indicates a conforming characteristic and a sign preserving square correlation value less than 0.7 indicates a non-conforming characteristic. Therefore, a sign-maintaining square correlation value greater than 0.8 can be considered a true fitness value, and a value less than 0.7 can be considered a non-match value.
図9の上側グラフは、符号維持2乗相関値の散乱プロットを示し、0.8閾値を点線でマークしている。適合値(円)と不適合(星)との間の明確な分離は明白である。他の2つのグラフのヒストグラムは、E−BioIDシステムの効果的な認識能力の異なる見方を示し、そこでは不適合値はゼロ値(相関無し)近傍に集中し適合値は1.0(絶対相関)近くに密度高く分布することがわかる。 The upper graph of FIG. 9 shows a scatter plot of the sign-maintained square correlation value, with the 0.8 threshold marked with a dotted line. A clear separation between the fit value (circle) and the non-fit (star) is obvious. The histograms of the other two graphs show different views of the effective recognition ability of the E-BioID system, where non-conforming values are concentrated near zero (no correlation) and the conforming value is 1.0 (absolute correlation). It can be seen that it is densely distributed nearby.
別の実施形態では、マルチパラメータスキーム(例えば、ファジーロジックスキーム)などのより洗練された判断スキームが利用され得、そのマルチパラメータスキームは一つ以上の距離計測を利用する。例えば、多重相関値が分割されたデータ分析から導出され得る。 In another embodiment, a more sophisticated decision scheme such as a multi-parameter scheme (eg, a fuzzy logic scheme) may be utilized, which multi-parameter scheme utilizes one or more distance measurements. For example, multiple correlation values can be derived from a partitioned data analysis.
好適な実施形態では、信号内の変更が生じるときに心電図信号を患者のデータベースファイルに加えることによって、システムは時間の経過と共にそのパフォーマンスを向上する。その後の認識では、システムは新たに取得された信号を処理し、脈拍数を計算し、電子−バイオメトリックシグニチャを形成し、最も類似する脈拍数により、登録された電子−バイオメトリックシグニチャテンプレートを選択し、新たな電子−バイオメトリックシグニチャを選択された登録電子−バイオメトリックシグニチャテンプレートと比較する。 In a preferred embodiment, the system improves its performance over time by adding an electrocardiogram signal to the patient database file when changes in the signal occur. For subsequent recognition, the system processes the newly acquired signal, calculates the pulse rate, forms an electronic-biometric signature, and selects the registered electronic-biometric signature template with the most similar pulse rate. The new electronic-biometric signature is then compared to the selected registered electronic-biometric signature template.
別の好適な実施形態では、システムは、長期間のシステムの動作の間に収集される信号を利用して登録された患者の心電図信号での起こり得る変動を追跡し、もし一貫した変動が生じるならば登録された信号はこれら変動を反映するように自動的に調整される。この追跡の処理は、長期間に渡る心電図信号での漸次の変動を補償するが、しかしながら、臨床の心臓状況と関連して予想されるもののような急速、敏感な変動を補償するものではない。別の実施形態では、そのような敏感な変動は、医療的な相談の要求を示す患者に報告されてもよい。 In another preferred embodiment, the system uses signals collected during long-term system operation to track possible variations in the registered patient's electrocardiogram signals and if consistent variations occur If so, the registered signal is automatically adjusted to reflect these variations. This tracking process compensates for gradual variations in the ECG signal over time, however, it does not compensate for rapid, sensitive variations such as those expected in connection with clinical cardiac conditions. In another embodiment, such sensitive fluctuations may be reported to a patient indicating a request for medical consultation.
[第2の形態]
バイオメトリック識別方法は、識別閾値の適正な決定により益を得る。識別閾値は、対象シグニチャと登録されたデータベースシグニチャとの間の相関解析から導出され得る。閾値は、最適の識別パフォーマンスとなるように、経験的データの分布を利用して決定され得る。但し、固定された閾値は、決定論的シグニチャ及び静的ノイズを暗黙に仮定するのであり、一方、実際にはシグニチャは可変であり、ノイズも殆ど予測できない外部的影響に依存する。従って、第1の形態を含めて、バイオメトリック識別方法は、データベース及びテスト読み取りにおける信号及びノイズの変動により、悪影響をうける。一般的に、このことにより、適合と不適合の両方に対して、相関の減少を生じてしまう。
[Second form]
Biometric identification methods benefit from the proper determination of the identification threshold. The identification threshold can be derived from a correlation analysis between the target signature and the registered database signature. The threshold value can be determined using the distribution of empirical data for optimal discrimination performance. However, the fixed threshold implicitly assumes deterministic signatures and static noise, while in practice the signatures are variable and the noise also depends on external influences that are almost unpredictable. Thus, including the first form, the biometric identification method is adversely affected by signal and noise variations in the database and test readings. In general, this results in reduced correlation for both conformance and nonconformity.
従って、第2の形態では、バイオメトリック識別の方法及びシステムは、第1の形態に係るものも含めて、信号変動及びノイズ干渉の効果を補償することができる動的閾値を利用できる。この形態では、動的なデータ独立の識別閾値を提示する。好適な実施形態では、相関データを正規化してこれにより定量化された統計的に有意の識別閾値の計算を可能にする統計アプローチを利用して、個々の識別試行で動的閾値が再計算される。閾値は、可変信号及びノイズ状況に対して耐性があることが示されている。 Therefore, in the second embodiment, the biometric identification method and system, including the one according to the first embodiment, can use a dynamic threshold that can compensate for the effects of signal fluctuations and noise interference. In this form, a dynamic data independent identification threshold is presented. In a preferred embodiment, the dynamic threshold is recalculated for each identification trial using a statistical approach that normalizes the correlation data and thereby allows the quantified statistically significant identification threshold to be calculated. The The threshold has been shown to be resistant to variable signal and noise conditions.
この第2の形態に係る好適な方法は、試行のシグニチャと登録されたシグニチャのセットとの間の相関ベースのスコアに対する信頼限界の決定に基づく。これらの心電図シグニチャは経験的に決定され得るが、しかしながら、それらは総合的であってもよく、その場合、バイオメトリック適合処理においてバックグラウンドデータベースに対する要求はない。総合的心電図シグニチャは、主成分解析モデル内の再構成係数のセットを利用することにより、形成され得る。一方で、再構成係数のセットは、現実の患者から導出される現実の再構成係数の分布から抽出されるルールのセットに従って、引き出され得る。 The preferred method according to this second aspect is based on the determination of confidence bounds for a correlation-based score between a trial signature and a set of registered signatures. These ECG signatures can be determined empirically, however, they may be comprehensive, in which case there is no requirement for a background database in the biometric fitting process. A comprehensive electrocardiogram signature can be formed by utilizing a set of reconstruction coefficients in the principal component analysis model. On the other hand, a set of reconstruction coefficients can be derived according to a set of rules extracted from a distribution of real reconstruction coefficients derived from real patients.
いずれにせよ、信頼限界は、統計上の信頼度に関する所与の程度で、件の値のための上側及び下側の限界を規定する。両側限定は上側及び下側の両方の境界を規定し、一方、片側限定は、変数の値の下側も上側も限界がないという了解の下で、上側若しくは下側のみのカットオフを規定する。信頼限界は、個々の統計的方法に適合する或る統計上の基準を満たすならば、複数の異なるやり方で統計上決定され得る。 In any case, the confidence limits define the upper and lower limits for the value in question, with a given degree of statistical confidence. A two-sided limit defines both the upper and lower bounds, while a one-sided limit defines a cut-off only on the upper or lower side with the understanding that there is no limit below or above the value of the variable. . Confidence limits can be statistically determined in a number of different ways if they meet certain statistical criteria that are compatible with individual statistical methods.
最も統計的な方法は、正規分布変数値に依存するのであり、即ち、ベル型のガウス分布に従う。正規分布変数は、十分に統計的特性を備えており、それらの統計上の限界は、可変平均及び偏差に基づく率直なやり方で決定され得る。 The most statistical method relies on normally distributed variable values, ie it follows a bell-shaped Gaussian distribution. Normal distribution variables have sufficient statistical properties, and their statistical limits can be determined in a straightforward manner based on variable means and deviations.
変数が正規分布でない場合、元の変数を正規分布する新たな変数に変換し、信頼限界を決定する正規化変換が利用されてもよい。統計的考察を利用して、若しくは十分に大規模なデータベースの経験的調査により、適切な数学的変換が決定されてもよい。元の変数の形で信頼限界を表現するために、逆変換も要求される。 If the variable is not a normal distribution, a normalization conversion that converts the original variable into a new variable with a normal distribution and determines a confidence limit may be used. Appropriate mathematical transformations may be determined using statistical considerations or by empirical investigation of sufficiently large databases. Inverse transformations are also required to express confidence bounds in the form of original variables.
信号相互相関解析が、適合手順のために利用されてもよい。値は、−1(絶対逆相関)から0(無相関)を介して1(絶対正相関)までの範囲となる。概略、有意な正相関は、強い真の同定を示し、従って、片側限定の、上側信頼限界は、動的識別閾値を規定するのに用いられるべきである。 Signal cross-correlation analysis may be utilized for the fitting procedure. The value ranges from -1 (absolute inverse correlation) to 0 (uncorrelated) to 1 (absolute positive correlation). In general, a significant positive correlation indicates strong true identification, and thus a one-sided, upper confidence limit should be used to define a dynamic discrimination threshold.
定義からして、相関は有界変数であり、従って正規分布ではない。上側信頼限界を決定せしめる相関分布を正規化する数学的変換が必要である。一方で、かような変換に依存しない経験的技術が用いられてもよい。 By definition, correlation is a bounded variable and is therefore not normally distributed. A mathematical transformation is needed to normalize the correlation distribution that determines the upper confidence bound. On the other hand, an empirical technique that does not depend on such conversion may be used.
以下により完全に記載する好適な方法は、相関解析に対して特に適切である。それはフィッシャ(Fisher)のZ変換に基づくものであり、相関を正規分布変数にコンバートする。 The preferred method described more fully below is particularly suitable for correlation analysis. It is based on Fisher's Z transform and converts the correlation to a normal distribution variable.
別の方法は、2乗相関を利用し得る。生の相関は付加的でないから、平均若しくは相関に関する他の統計関数は、統計的意味を有さない。2乗相関は付加的であるが、それらも正規分布ではなく、そのため付加的変換が要求される。相関の先行処理がそれらの値の分布を変更するのであれば、これらの変更を明らかにするために付加的変換が必要となり得る。これらの付加的変換は、ロガリズム、2乗、平方根、及び超越関数を含むが、それらに限定されるものではない。 Another method may utilize square correlation. Since the raw correlation is not additive, other statistical functions for mean or correlation have no statistical significance. Although squared correlations are additive, they are also not normally distributed and therefore require additional transformations. If the correlation predecessor changes the distribution of those values, additional transformations may be required to account for these changes. These additional transformations include, but are not limited to, logarithm, square, square root, and transcendental functions.
更に別の方法が、ある程度の先行の経験的テストを含み、該テストでは多数の対象が膨大なデータベースに相関することが好ましい。偽の識別の可能性はこのデータベースの調査により直接に判定されるが、さもなければ、変換は経験的に判定され得る。しかしながら、この方法は動的ではなく実際のテストに先だって為されなければならないので、テスト条件の効果は容易には補償され得ず、ノイズの影響のための数学的モデル開発を要求するものである。 Yet another method involves some prior empirical testing, where a large number of objects are preferably correlated to a huge database. The possibility of false identification is determined directly by searching this database, otherwise the transformation can be determined empirically. However, since this method is not dynamic and must be done prior to the actual test, the effect of the test conditions cannot be easily compensated and requires the development of a mathematical model for the effects of noise. .
この第2の形態に係る好適な方法、フィッシャ変換(Fisher−transform)法は、より正規分布に近いスコア分布を得るために、対象のシグニチャと登録されたシグニチャとの間の相関関係の変換を含む。上記のように、正規化の条件に適うデータは、パラメータの信頼限界を導出するのに利用され得る。 The preferred method according to the second embodiment, the Fisher-transform method, converts the correlation between the target signature and the registered signature in order to obtain a score distribution closer to the normal distribution. Including. As described above, data that meets the normalization conditions can be used to derive confidence limits for the parameters.
フィッシャのZ変換は、相関関係を正規化するのに設計された。変換は以下のように表現され得る。
Zfが変換値であり、arctanhは、ハイパボリックアークタンジェント関数であり、rは変換係数である。arctanhはラジアンで表されるものである。 Zf is a conversion value, arctanh is a hyperbolic arctangent function, and r is a conversion coefficient. arctanh is expressed in radians.
全ての相関関係が変換されると、変換されたスコアに対する片側の信頼限界は、対象の相関関係を除いて、全ての変換された相関関係の平均と全ての変換された相関関係の標準偏差を求め、以下のように計算することによって決定される。
ここで、zは正規分布’z スコア’であり、Zfmeanはデータベースによる変換された相関関係の平均であり、sdZfはデータベースによる変換された相関関係の標準偏差である。
Once all correlations have been converted, the one-sided confidence limits for the converted scores are the average of all the converted correlations and the standard deviation of all the converted correlations, excluding the target correlation. It is determined by calculating and calculating as follows.
Here, z is the normal distribution 'z score', Zf mean is the average of the correlations converted by the database, and sd Zf is the standard deviation of the correlations converted by the database.
本明細書での下方のケースzは、正規分布z−scoreの値を示すのであり、それはカットオフ内の所望の信頼程度に基づいて導出される。そのようなスコアのテーブルは、図10に示される。 The lower case z herein shows the value of the normal distribution z-score, which is derived based on the desired degree of confidence in the cutoff. A table of such scores is shown in FIG.
図10のテーブルでは、標準偏差は適切なz−scoreにより積出されて平均に加算され、全体量はハイパボリックタンジェントを採ることによって相関関係に逆変換される。 In the table of FIG. 10, the standard deviation is accumulated by an appropriate z-score and added to the average, and the overall quantity is converted back to a correlation by taking a hyperbolic tangent.
例えば、95%信頼限界は、1.65のz scoreを用いて決定され得る。従って変換された値の平均が0.05、標準偏差が0.25であれば、95%の信頼限界は0.72となる。即ち、0.72を超える相関値は、5%以下の機会で偶々生じるに過ぎない。 For example, a 95% confidence limit can be determined using a z score of 1.65. Therefore, if the average of the converted values is 0.05 and the standard deviation is 0.25, the 95% confidence limit is 0.72. That is, a correlation value exceeding 0.72 occurs only by chance on the occasion of 5% or less.
特定の対象識別が偶然によるものとなる可能性を判定するのに、逆の手順が利用され得る。z−scoreに対して以下の式を解く。
ここで、zは正規分布’z スコア’であり、Zfcは変換された対象の相関関係であり、Zfmeanはデータベースによる変換された相関関係の平均であり、sdZfはデータベースによる変換された相関関係の標準偏差である。
The reverse procedure can be used to determine the likelihood that a particular object identification will be due to chance. The following equation is solved for z-score.
Where z is the normal distribution 'z score', Zfc is the correlation of the transformed object, Zf mean is the average of the transformed correlation by the database, and sd Zf is the transformed correlation by the database The standard deviation of the relationship.
結果としてz−scoreは、累積正規分布のテーブルを参照して、必要であれば内挿法を利用して、片側の確率値に変換され得る。例えば、上述の簡潔なテーブルを参照して、1.80のz−scoreは、対象が偶々非常に高く相関する3.75%の確率を示す。 As a result, z-score can be converted to a one-sided probability value using an interpolation method if necessary with reference to a table of cumulative normal distribution. For example, referring to the brief table above, a z-score of 1.80 indicates a 3.75% probability that the object will be very highly correlated.
上述のように、登録されたシグニチャ内の、即ち対象シグニチャ内のノイズがランダムであるならば、対象値との全体の相関を減少させることになる。従って、真の識別は、存在するとしても、対象とより低い相関を有することになる。高い生の相関は最大限の相関のシーリング効果によりあまり変動しないので、生の相関の値が減少すると生の相関の変動性が増加することに留意すべきであるが、しかしながら、変換によりこれは補償される。従って、所望の確実性を伴う動的閾値は、前述の方法を用いて、個々の識別の試行で再計算され得る。全体のランダムノイズは、尚、前相関をゼロに推進し全体の真の可変性を減少する傾向にあり、このことにより信頼限界を下げてしまう、ということは重要である。しかし、ノイズに対する信号の比率が或る限界以下に落ちない限り、真の適合は依然有意である。 As described above, if the noise in the registered signature, ie, the target signature, is random, the overall correlation with the target value will be reduced. Thus, true identification, if present, will have a lower correlation with the subject. It should be noted that high raw correlation does not fluctuate much due to the maximum correlation sealing effect, so reducing raw correlation values increases raw correlation variability, however, the conversion Compensated. Thus, the dynamic threshold with the desired certainty can be recalculated for each identification attempt using the method described above. It is important that the overall random noise still tends to drive the pre-correlation to zero and reduce the overall true variability, thereby reducing the confidence limit. However, a true fit is still significant unless the signal to noise ratio falls below a certain limit.
第2の形態の以下の例は、38人の患者のデータベースに基づくものである。全ての患者は健康な個体であり、任意ベースで調査に参加している。 The following example of the second form is based on a database of 38 patients. All patients are healthy individuals and participate in the study on a voluntary basis.
[例1:相関の正規化]
データベース内の全ての対を相関させることによって、703の相互相関のセットが得られた。生の相関分布とz−変換された相関分布が、図11に示される。生の相関は正規分布ではない(上図)が、変換された相関は、正規分布に近いものを示しているようである(下図)。
[Example 1: Normalization of correlation]
By correlating all pairs in the database, a set of 703 cross-correlations was obtained. The raw correlation distribution and the z-transformed correlation distribution are shown in FIG. The raw correlation is not a normal distribution (upper figure), but the transformed correlation appears to be close to the normal distribution (lower figure).
[例2:実施]
バイオメトリック識別方法は、38の登録されたシグニチャと38のテストのシグニチャの分析を利用して、実施された。図12は、静的閾値の関数としてFAR及びFRR実施曲線を示し、図13は動的閾値の関数として実施曲線を示す。動的閾値が有意に優れた結果を示しているのが明白である(例えば、EERstatic=3%、EERdynamic=0%)
[Example 2: Implementation]
The biometric identification method was implemented utilizing an analysis of 38 registered signatures and 38 test signatures. FIG. 12 shows FAR and FRR implementation curves as a function of static threshold, and FIG. 13 shows implementation curves as a function of dynamic threshold. It is clear that the dynamic threshold shows significantly better results (eg EER static = 3%, EER dynamic = 0%)
[第3の形態]
上述のように、動的識別閾値はデータ駆動型の閾値であり、個々の識別セッションで再計算され信頼限界を確立し識別プロセスの統計的有意性を実証するのが好ましい。しかし、全体スコアは背景ノイズによる信号の性質の低下によりやはり減少し、動的閾値を下げ、このことにより識別信頼を減少してしまう。この問題は、高パフォーマンスの認識を促進するために、登録フェーズと識別フェーズの両方で、信号の性質の評価を要求する。
[Third embodiment]
As mentioned above, the dynamic identification threshold is a data driven threshold and is preferably recalculated in each identification session to establish confidence limits and demonstrate the statistical significance of the identification process. However, the overall score will still decrease due to the degradation of the signal properties due to background noise, lowering the dynamic threshold, thereby reducing the identification confidence. This problem requires an evaluation of the nature of the signal in both the registration and identification phases to facilitate high performance recognition.
第3の形態は、Q値、一つのタイプの信号の性質のインデクスを計算することにより、この問題を解決する。信号の性質のインデクスQは、心電図シグニチャの性質の量的記述である。それは、2つ又はそれ以上の心電図波形でのランダムのエラーに基づくものであり、それらの信号平均心電図を参照して導出される。 The third form solves this problem by calculating the Q value, an index of the nature of one type of signal. The signal quality index Q is a quantitative description of the nature of the ECG signature. It is based on random errors in two or more ECG waveforms and is derived with reference to their signal average ECG.
Q値は、登録フェーズと識別フェーズの間で信号の性質を確認するのに利用されてもよく、このことにより十分なシステムパフォーマンスを保証する。(それ自身、所望のレベルの識別信頼に基づいて)予め定義された閾値によって要求されるよりもより低いQファクタの場合、信頼要求が適うまで計測が拡張されても若しくは繰り返されてもよい。 The Q value may be used to verify the nature of the signal between the registration phase and the identification phase, thereby ensuring sufficient system performance. In the case of a lower Q factor than required by a pre-defined threshold (based on the desired level of identification confidence per se), the measurement may be extended or repeated until the confidence requirement is met.
Qを導出する一つの好適な方法は、以下のような一連のステップとなる。
(1)インプット心電図信号は、従来の波形モルフォロジ特性(例えば、P、Q−R−S、Tエレメント)からなる心電図波形に区分される。
(2)R波ピークに対して心電図波形が並べられる(“時間固定される”)。
(3)平均心電図が、並べられた心電図波形から導出される。調和平均、幾何平均、加重平均、若しくは中間値などの別の方法も利用され得るが、好適な方法は、算術平均を取る。更に別の方法は、主成分解析などの他の方法により元の信号を変換することを含む。
(4)個々の元の心電図波形は平均心電図に対して処理され、平均心電図に対して幾分かの差異が導出される。別の方法(例えば、平均心電図による元の心電図への除算)も利用可能であるが、好適な方法は、減算を行う。平均心電図が安定しており患者の心電図の真の徴表であるならば、結果として差異は、個々の個体の心電図波形に固有のノイズ(心電図ノイズ)の徴表となる。
(5)個々の心電図ノイズ波形において時間軸に対応する個々のサンプルポイントが共に処理され、可変性の大きさが導出される。最も好適な方法は分散を決定することである。利用され得る別の方法は、標準偏差即ち距離を含む。
(6)平均はこれらの可変性の大きさから求められる。最も好適な方法は、算術平均を取ることである。別の方法は、変換(例えば、log)後の平均を取ること、若しくは、別の平均(気化、調和、中間)を取ることを含み得る。最大値などの、別のサマリスコアも利用可能で有り得る。
One suitable method for deriving Q is a series of steps as follows.
(1) The input electrocardiogram signal is classified into an electrocardiogram waveform having conventional waveform morphology characteristics (for example, P, QRSS, T element).
(2) The ECG waveform is arranged with respect to the R wave peak (“time fixed”).
(3) An average electrocardiogram is derived from the arranged electrocardiogram waveforms. The preferred method takes an arithmetic average, although other methods such as harmonic average, geometric average, weighted average, or intermediate value may be utilized. Yet another method involves transforming the original signal by other methods such as principal component analysis.
(4) Each original ECG waveform is processed against the average ECG, and some differences are derived with respect to the average ECG. Although other methods (eg, division of the original ECG by the average ECG) can be used, the preferred method performs subtraction. If the average electrocardiogram is stable and is a true signature of the patient's electrocardiogram, the resulting difference is a signature of the noise (electrocardiogram noise) inherent in the individual individual's ECG waveform.
(5) The individual sample points corresponding to the time axis in the individual ECG noise waveforms are processed together to derive the magnitude of variability. The most preferred method is to determine the variance. Another method that can be utilized includes standard deviation or distance.
(6) The average is obtained from these variability magnitudes. The most preferred method is to take an arithmetic average. Another method may include taking an average after conversion (eg, log) or taking another average (vaporization, harmony, intermediate). Another summary score, such as a maximum value, may also be available.
解析に先立ち信号が正規化され得ることに留意して、平均が、SNRに直接的に関連するとして、それ自身Qインデクスとして利用されてもよい。一方で、種々の別のスケーリング変換が平均に適用され、所望の最小値、最大値、及び直線性特性で平均をインデクスにコンバートしてもよい。 Keeping in mind that the signal can be normalized prior to analysis, the average may itself be used as the Q index as directly related to the SNR. On the other hand, various other scaling transformations may be applied to the average to convert the average into an index with the desired minimum, maximum, and linearity characteristics.
[第3の形態に係る例1:Q(信号の性質)とNSR(信号−ノイズ比率)]
Xが心電図データマトリクスを示すならば、一つの心電図波形を示す個々の列はXi(n)を示し、ここでiは心電図波形のインデクスであり、nは離散時間単位を示す。全ての心電図波形の平均は、x(n)で示される。時間nのあらゆるポイントに対して、エラー項を計算する.
ここで、分散はδe 2(n)で示される。可変平均を0から1の距離に変換する好適なスケーリングコンバージョンは、以下のように規定される。
If X represents an electrocardiogram data matrix, each column representing one electrocardiogram waveform represents Xi (n), where i is the index of the electrocardiogram waveform and n represents a discrete time unit. The average of all electrocardiogram waveforms is denoted by x (n). Calculate error terms for every point at time n.
Here, the dispersion is represented by δ e 2 (n). A suitable scaling conversion that converts a variable average from a distance of 0 to 1 is defined as:
図14に示すシミュレーションは、上記Qファクタを利用して信号をノイズレベルに対して評価することを示すものである。このシミュレーションは、ガウスのホワイトノイズの増加レベルを信号に付加して、現実の心電図記録を利用している。図14は、対信号ノイズ比(NSR)の関数としてQ値を示す。Qがプラトーから下がり始めると、NSRの増加と共に単調減少し、ついには心電図アラインメント手順が崩れる(NSR〜−35dB、Q〜0.2)ことがわかる。 The simulation shown in FIG. 14 shows that the signal is evaluated with respect to the noise level using the Q factor. This simulation uses an actual electrocardiogram recording with an added level of Gaussian white noise added to the signal. FIG. 14 shows the Q value as a function of the signal-to-signal noise ratio (NSR). It can be seen that when Q begins to drop from the plateau, it decreases monotonically with increasing NSR, and eventually the ECG alignment procedure breaks down (NSR--35 dB, Q-0.2).
[第3の形態に係る例2:信号の性質の関数としてのスコア]
理論的には、1に近い適合スコアは、正適合を示し、非適合スコアは、相関関係を完全に欠くことを示すゼロとなる傾向がある。しかしながら、実際には、真の適合スコアは、心電図シグニチャの一時的変動に影響され、更に重要なことに、背景ノイズから影響される。従って、より高い信号の性質が、短い時間の、高スコア識別に対して、求められる。高性質の信号は適合スコア上の上方境界を増加させるが、心臓学的シグニチャの可変性に依存する下方境界に影響しないことに、留意すべきである。図13及び図14に示される例は、38人の患者のデータベースに基づいて、信号の性質の関数としてスコア分布を示す。図15は、夫々5秒の短いデータ区分を示す。対照的に、図16は夫々20秒のより長い区分を示す(図16)。明らかに、より長い区分ではノイズの効果が相当程度まで補償され、スコア分布が平坦である。
[Example 2 according to third embodiment: score as a function of signal properties]
Theoretically, a match score close to 1 tends to be a positive match and a non-match score tends to zero indicating a complete lack of correlation. In practice, however, the true fitness score is affected by temporal variations in the ECG signature and, more importantly, background noise. Therefore, higher signal properties are sought for high score discrimination in a short time. It should be noted that a high quality signal increases the upper boundary on the fitness score, but does not affect the lower boundary depending on the variability of the cardiological signature. The examples shown in FIGS. 13 and 14 show score distributions as a function of signal nature based on a database of 38 patients. FIG. 15 shows a short data segment of 5 seconds each. In contrast, FIG. 16 shows a longer segment of 20 seconds each (FIG. 16). Obviously, the longer section compensates for the effect of noise to a considerable extent and the score distribution is flat.
[第3の形態に係る例3:信号の性質と記録の期間]
信号の性質は、Qパラメータを利用して定量化され得る。より小さいQ値であるが、Qが、心電図アラインメント処理が崩れる或る限界以下にはならない場合、統計的優位性を維持するためにはより長い記録が必要である。図15及び図16は、所与のQ値に対する記録期間の関数として識別スコアにおける増加を示す。
[Example 3 according to third embodiment: signal properties and recording period]
The nature of the signal can be quantified using the Q parameter. If the Q value is smaller, but Q is not below a certain limit at which the ECG alignment process breaks down, a longer record is required to maintain statistical advantage. 15 and 16 show the increase in identification score as a function of recording period for a given Q value.
従って、この第3の形態によれば、本明細書に開示される方法及びシステムは、Qファクタ若しくは他の手段を利用して信号の性質を計算でき、システムに対して、ノイズの減少したサンプルを探させること、又は、Qファクタ若しくは別の信号の性質の基準、及び所望の程度の識別信頼に基づくより長いサンプルを採用させることを、可能ならしめる。 Thus, according to this third aspect, the method and system disclosed herein can calculate the nature of the signal using a Q-factor or other means, and the system provides a reduced sample of noise. Or longer samples based on the quality factor or other signal quality criteria and the desired degree of identification confidence.
[第4の形態]
第4の形態によれば、本明細書に開示される方法及びシステムは、格納されたシグニチャを暗号化し得る。この安全性の特性は、本明細書の種々の方法及びシステムは生の心電図データではなく格納されたシグニチャに基づいて通常動作するにもかかわらず、データベース内のデータを誤用してしまうことを防ぐように設計されている。従って、シグニチャ自身を暗号化することによって、セキュリティの追加的層が利用されてもよい。そのためには、クレジットカードデータに利用されるPKI(公開鍵基盤)技術を含む種々の波長変更技術が用いられてもよい。認証されていない個人がシグニチャを解読し更にシグニチャを生データ信号に変換する必要があり、それはどの共通特性が生データから除去されたのかを知らなければ不可能な作業であるから、この第4の形態によれば登録された患者データの不適切な利用がいっそう難しくなる。従って、本明細書に開示されるシステム及び方法の一つの利点は、格納された情報を誤用することが非常に困難になることである。
[Fourth form]
According to a fourth aspect, the methods and systems disclosed herein may encrypt stored signatures. This safety feature prevents misuse of data in the database even though the various methods and systems herein operate normally based on stored signatures rather than raw ECG data. Designed to be Thus, an additional layer of security may be utilized by encrypting the signature itself. For this purpose, various wavelength changing techniques including a PKI (public key infrastructure) technique used for credit card data may be used. This fourth step is necessary because an unauthenticated individual needs to decrypt the signature and convert the signature into a raw data signal, which is impossible without knowing which common characteristics have been removed from the raw data. According to the form, inappropriate use of registered patient data becomes more difficult. Thus, one advantage of the systems and methods disclosed herein is that it becomes very difficult to misuse stored information.
[第5の形態]
バイオメトリック識別システムは、一般に登録詐欺には脆弱である。この第5の形態に係るシステム及び方法は、データベースに登録された発生学的に関連する個人からの心電図データを利用することによって、この問題を解決する。肉親は、共通特性を共有する心電図を有する。患者のシグニチャを一般集団と相関させ、及び/又は、患者と意図的に関連する登録者と相関させることによって、システムは、患者が彼らの意図する者であるか否かが、確信して判定できる。この技術は、写真認識及び/又は指紋適合などの従来方法を介して個人識別を確認することに加えて、利用されてもよい。しかしながら、非ユークリッドであり類似性に基づくクラスタ化に従順でないそれらの方法とは異なり、この技術は、登録者の心電図シグニチャに基づいて発生学的関係の確率を決定することによって、登録プロセスのどの段階でも、詐欺を判定できる。
[Fifth embodiment]
Biometric identification systems are generally vulnerable to registration fraud. The system and method according to this fifth aspect solves this problem by utilizing electrocardiogram data from embryologically related individuals registered in a database. Close relatives have electrocardiograms that share common characteristics. By correlating patient signatures with the general population and / or correlating with registrants that are deliberately associated with the patient, the system determines with confidence whether the patient is their intended one. it can. This technique may be utilized in addition to verifying personal identification via conventional methods such as photo recognition and / or fingerprint matching. However, unlike those methods that are non-Euclidean and not amenable to similarity-based clustering, this technique determines which of the registration processes by determining the probability of the embryological relationship based on the registrant's ECG signature. Even at the stage, fraud can be determined.
[第6の形態]
本明細書に開示されるシステム及び方法は、心電図を計測するための極めて高いインピーダンスプローブも利用する。信頼性及び利用容易性は、心電図ベースのバイオメトリック識別システムのとって重要であるから、単一ポイントで、若しくは患者に触れさえもせず、心電図を計測することは有用である。バイオメトリック識別の信頼性及び利用容易性を増加するために、本明細書に記載のものを含むバイオメトリック方法及びシステムと共に、電位プローブが動作してもよい。極めて高いインピーダンスプローブは種々の形態となる。例えば、Harlandらによる非特許文献2を参照されたい。この形態に係る極めて高いインプットインピーダンスプローブは、極めて低いノイズ特性を有し、動作するために電流伝導経路を要求しないのが好ましい。結果として、それらは、エキスパートシステムオペレータの助け無く素人が利用する場合であっても、前述の方法及びシステムと十分に動作する。従って、個人が衣服をまとって(金属探知器に類似する)スキャナを通過する際に心電図信号を収集することなど、これらのプローブは空港をベースにしたバイオメトリック識別システムで利用され得る。同様に、ATMやゲーム機などで、個人の指先から心電図を収集するのに、単体のプローブが利用されてもよい。単体のプローブに利用により、患者にはより動作の自由が与えられ、患者が識別及び登録管理に応じることがより容易になる。このことは、本明細書に記載のバイオメトリック識別システムが患者の機械操作を制御するのに利用される場合に特に有用であり、とりわけ、機械が操作するのに身体的接触を必要とする場合(例えば、小火器や乗物)にそうである。本形態に係る単体のプローブ及び遠隔プローブ心電図捕獲システムは、身体ノイズ及びEMGを減少させるノイズ減少計略により補完されてもよい。
[Sixth embodiment]
The systems and methods disclosed herein also utilize very high impedance probes for measuring electrocardiograms. Since reliability and availability are important for an electrocardiogram-based biometric identification system, it is useful to measure the electrocardiogram at a single point or even without touching the patient. In order to increase the reliability and ease of use of biometric identification, potential probes may operate in conjunction with biometric methods and systems, including those described herein. Very high impedance probes come in various forms. See, for example, Harland et al. The very high input impedance probe according to this configuration preferably has very low noise characteristics and does not require a current conduction path to operate. As a result, they work well with the methods and systems described above, even when used by an amateur without the assistance of an expert system operator. Thus, these probes can be utilized in airport-based biometric identification systems, such as collecting electrocardiogram signals as an individual wears clothes and passes a scanner (similar to a metal detector). Similarly, a single probe may be used to collect an electrocardiogram from an individual fingertip in an ATM or a game machine. Utilizing a single probe gives the patient more freedom of movement and makes it easier for the patient to respond to identification and registration management. This is particularly useful when the biometric identification system described herein is used to control a patient's machine operation, especially when the machine requires physical contact to operate. This is the case (for example, small arms and vehicles). The single probe and remote probe ECG capture system according to this embodiment may be supplemented by a noise reduction scheme that reduces body noise and EMG.
第7の形態によると、バイオメトリック識別方法及びシステムは、(患者のシグニチャをデータベース登録者のものと比較することで形成される)患者のための適合スコアを、(登録者のシグニチャをデータベース登録者のものと比較することで形成される)複数の登録者の適合スコアと、相関させてもよい。従って、患者の相関付けされた適合スコアの分布を解析するのではなく、この識別技術は、患者の適合スコアの相関の分布と登録者のそれらを解析する。第5の形態に関して、本形態に係る方法及びシステムは、関係する個人を識別するのに有用である。これは、一つのグループの登録者に関係する個人は、登録者に関係しない個人に対する適合スコアのガウス分布よりも、実質的により高いメジアンを有する適合スコアのガウス分布を有するからである。従って、適合スコアの分布を調べることにより、登録者との患者の発生学的関係の確率が確認できる。 According to a seventh aspect, the biometric identification method and system provides a relevance score for a patient (formed by comparing a patient signature with that of a database registrant), a registrant signature in a database registration. It may be correlated with the relevance scores of multiple registrants (formed by comparison with those of the person). Thus, rather than analyzing the patient's correlated fitness score distribution, this identification technique analyzes the patient's fitness score correlation distribution and those of the registrant. With respect to the fifth aspect, the method and system according to this aspect are useful for identifying individuals involved. This is because individuals associated with a group of registrants have a Gaussian distribution of fitness scores with a substantially higher median than a Gaussian distribution of fitness scores for individuals not associated with the registrant. Therefore, by examining the distribution of the fitness score, the probability of the patient's embryological relationship with the registrant can be confirmed.
[第8の形態]
最後に、上述の相関技術の代替技術で、若しくはそれらに加えて、本明細書に記載の方法及びシステムは、識別のための加重相関を利用してもよい。本形態によると、相関関係が種々のシグニチャ差分に対して種々の加重を与え得る。例えば、QRS群特性によるシグニチャの差分は、T若しくはPコンプレクス特性によるシグニチャの差分よりも加重されてもよい。Tは高度に可変であり、QRSは安定であり、Pはその中間であるから、システム及び方法は、加重関数の一部として、シグニチャ値の二乗平均平方根を利用してもよい。従って、シグニチャは、二乗平均平方根計算、L1メトリックス、若しくは別の正規化技術を利用して、正規化され得る。
[Eighth form]
Finally, in addition to or in addition to the correlation techniques described above, the methods and systems described herein may utilize weighted correlation for identification. According to this embodiment, the correlation can give different weights to different signature differences. For example, the signature difference due to QRS group characteristics may be weighted more than the signature difference due to T or P complex characteristics. Since T is highly variable, QRS is stable, and P is intermediate, systems and methods may utilize the root mean square of signature values as part of the weighting function. Thus, the signature can be normalized using root mean square calculation, L1 metrics, or another normalization technique.
[全ての形態と共に利用され得る好適な実施形態]
図19は、好適なシステムの機能図を示す。同様に、図20は、好適な信号プロセッサの機能図を示す。“プロセッサ”という用語は、本明細書では、一般的用法で用いられており、プロセシングは、ICチップ上のコプロセッサなど、物理的な個別部品によりなされてもよく、又は、プロセッサは物理的な統合ユニットを含んでもよい。
[Preferred embodiment that can be used with all forms]
FIG. 19 shows a functional diagram of a preferred system. Similarly, FIG. 20 shows a functional diagram of a preferred signal processor. The term “processor” is used herein in general usage, and processing may be done by physical discrete components, such as a coprocessor on an IC chip, or the processor may be physically An integrated unit may be included.
[全ての形態と共に利用され得る一般的な例:登録のアルゴリズム]
以下は、前述の形態のいずれとも利用され得る登録フェーズのための例示のアルゴリズムである。
i.xi(n)は、i番目の新たな患者の20秒、250Hzデジタルサンプルを示し、nは時間の離散単位を示す。
ii.xi(n)は4Hz−40Hzの範囲でバンドパスフィルタされる。
iii.フィルタされた信号は、yi(n)で示される。
iv.フィルタされた信号yi(n)は、QRS群が探索され、’R’ピークをアンカーポイントとして識別する。
v.フィルタされた信号yi(n)は、維持され若しくはインバートされ、正の’R’ピークを得る。
vi.識別されたQRS群が計算され平均脈拍数読み取りPRiを確立する。
vii.フィルタされた信号yi(n)は、アンカーポイント周りでセグメント化され、個々の’R’アンカーポイントの前に50サンプル、アンカーポイントの後に90サンプルを取る。
viii.個々のデータセグメントは、’R’アンカーポイントの大きさで正規化される。
ix.セグメントはアンカーポイント周りで整列されて平均化され、si(n)で示される患者の心電図信号を生成する。
x.患者の心電図信号si(n)は、脈拍数に係る’P’と’T’の潜伏を正規化することによって、平均脈拍数PRiに従って調整される。調整された心電図信号は、vi(n)で示される。
xi.脈拍数を調整した患者の心電図信号vi(n)は、データベースに付加され、全平均T(n)に持ち込まれる。
xii.システムデータベース内に格納された脈拍数を調整した心電図信号の各々から全平均T(n)を差し引くことによって、電子−バイオメトリックシグニチャΦiのセットが構築される。
[General example that can be used with all forms: registration algorithm]
The following is an exemplary algorithm for the registration phase that can be utilized with any of the foregoing forms.
i. x i (n) represents a 20 second, 250 Hz digital sample of the i th new patient, and n represents a discrete unit of time.
ii. x i (n) is bandpass filtered in the range of 4 Hz-40 Hz.
iii. The filtered signal is denoted y i (n).
iv. The filtered signal y i (n) is searched for QRS complex and identifies the 'R' peak as an anchor point.
v. The filtered signal y i (n) is maintained or inverted to obtain a positive 'R' peak.
vi. The identified QRS complex is calculated to establish the average pulse rate reading PR i .
vii. The filtered signal y i (n) is segmented around the anchor point and takes 50 samples before each 'R' anchor point and 90 samples after the anchor point.
viii. Individual data segments are normalized by the size of the 'R' anchor point.
ix. The segments are aligned and averaged around the anchor point to produce the patient's electrocardiogram signal denoted s i (n).
x. The patient's electrocardiogram signal s i (n) is adjusted according to the average pulse rate PR i by normalizing the 'P' and 'T' latency associated with the pulse rate. The adjusted electrocardiogram signal is denoted by v i (n).
xi. The patient's electrocardiogram signal v i (n) adjusted for the pulse rate is added to the database and brought to the total average T (n).
xii. A set of electro-biometric signatures Φ i is constructed by subtracting the total average T (n) from each of the adjusted ECG signals stored in the system database.
[例:認識のアルゴリズム]
以下は、認識フェーズのための例示のアルゴリズムである。
i.xj(n)は、テストされる患者の10秒、250Hzデジタルサンプルを示す。
ii.xj(n)は4Hz−40Hzの範囲でバンドパスフィルタされる。
iii.フィルタされた信号は、yj(n)で示される。
iv.フィルタされた信号yj(n)は、QRS群の位置が探索され、Rピークをアンカーポイントとして利用する。
v.フィルタされた信号yj(n)は、維持され若しくはインバートされ、正の’R’ピークを得る。
vi.識別されたQRS群が計算され平均脈拍数読み取りPRjを確立する。
vii.フィルタされた信号yj(n)は、アンカーポイント周りでセグメント化され、個々のアンカーポイントの前に50サンプル、アンカーポイントの後に90サンプルを取る。
viii.セグメントはアンカーポイント周りで整列されて平均化され、sj(n)で示される患者の心電図信号を生成する。
ix.患者の心電図信号sj(n)は、平均脈拍数PRjに従って正規化される。脈拍数を調整した患者の心電図信号は、vj(n)で示される。
x.脈拍数を調整した心電図信号vj(n)から全平均T(n)を差し引くことによって、電子−バイオメトリックシグニチャσjが構築される。
xi.電子−バイオメトリックシグニチャσjと全ての登録された電子−バイオメトリックシグニチャΦiとの間の相関係数が計算されて2乗され、その元の符号を維持する。
xii.最大の符号維持2乗相関値が選択され前にセットされた閾値と比較される。
xiii.選択された最大の符号維持2乗相関値が前にセットされた閾値より大きければ、正の適合が示され、患者が識別される。
[Example: Recognition algorithm]
The following is an exemplary algorithm for the recognition phase.
i. x j (n) represents a 10 second, 250 Hz digital sample of the patient being tested.
ii. x j (n) is bandpass filtered in the range of 4 Hz-40 Hz.
iii. The filtered signal is denoted y j (n).
iv. The filtered signal y j (n) is searched for the position of the QRS complex and uses the R peak as an anchor point.
v. The filtered signal y j (n) is maintained or inverted to obtain a positive 'R' peak.
vi. Identified QRS complex is calculated to establish the average pulse rate reading PR j.
vii. The filtered signal y j (n) is segmented around anchor points and takes 50 samples before each anchor point and 90 samples after the anchor point.
viii. The segments are aligned around the anchor point and averaged to produce a patient electrocardiogram signal denoted s j (n).
ix. The patient's electrocardiogram signal s j (n) is normalized according to the average pulse rate PR j . The electrocardiogram signal of the patient whose pulse rate is adjusted is denoted by v j (n).
x. An electro-biometric signature σ j is constructed by subtracting the total average T (n) from the electrocardiogram signal v j (n) with adjusted pulse rate.
xi. The correlation coefficient between the electron-biometric signature σ j and all registered electron-biometric signatures Φ i is calculated and squared to maintain its original sign.
xii. The maximum code-preserving square correlation value is selected and compared to a previously set threshold.
xiii. If the selected maximum sign-preserving squared correlation value is greater than a previously set threshold, a positive match is indicated and the patient is identified.
従って、電子−バイオメトリック識別認識のための心電図信号の取得、処理、及び分析の方法及び装置は、以下の登録及び認識のステップのどのサブセットを含んでもよい。 Accordingly, ECG signal acquisition, processing, and analysis methods and apparatus for electro-biometric identification recognition may include any subset of the following registration and recognition steps.
[登録]
患者からの心電図信号の取得、デジタル化、及び格納;
a.心電図信号データベースの編成;
b.心電図信号の類似性に基づくテンプレートデータベースの複数サブセットへの分割;
c.一つ又はそれ以上の全平均の構築;
d.患者固有電子−バイオメトリックシグニチャの導出。
[Register]
Acquisition, digitization and storage of ECG signals from patients;
a. ECG signal database organization;
b. Splitting the template database into multiple subsets based on ECG signal similarity;
c. Construction of one or more overall averages;
d. Derivation of patient-specific electronic-biometric signatures.
[認識]
[照合]
新たに捕獲された電子−バイオメトリックシグニチャは、患者固有の登録された電子−バイオメトリックシグニチャテンプレートと比較される;
a.関連して格納された電子−バイオメトリックシグニチャテンプレートと、新たに捕獲された患者の電子−バイオメトリックシグニチャの相関と信頼分析;
b.認識結果の表示及び登録、及び/又は、物理的若しくは仮想的ローカル/リモートメカニズムの作動。
[recognition]
[Verification]
The newly captured e-biometric signature is compared to the patient-specific registered e-biometric signature template;
a. Correlation and confidence analysis of associated stored electronic-biometric signature templates and newly captured patient's electronic-biometric signatures;
b. Display and registration of recognition results and / or activation of physical or virtual local / remote mechanisms.
[識別]
新たに捕獲された電子−バイオメトリックシグニチャは、データベース内に加わる電子−バイオメトリックシグニチャテンプレートの全てと比較される;
a.全ての格納された電子−バイオメトリックシグニチャテンプレートと、新たに捕獲された患者の電子−バイオメトリックシグニチャの相関と信頼解析;
b.認識結果の表示及び登録、及び/又は、物理的若しくは仮想的ローカル/リモートメカニズムの作動。
[identification]
The newly captured electron-biometric signature is compared with all of the electron-biometric signature templates that are added to the database;
a. Correlation and confidence analysis of all stored electronic-biometric signature templates and newly captured patient's electronic-biometric signatures;
b. Display and registration of recognition results and / or activation of physical or virtual local / remote mechanisms.
好適な実施形態では、E−BioIDシステムは、伝導センサプレートを介して人体から電気的生体信号を計測する。これらの同じプレートは、例えば、プレートを介して与えられる小規模電気刺激でユーザ内の交感神経性皮膚反応を誘導することにより、患者の神経系との双方向相互作用のために利用され得る。このような双方向相互作用は、チャレンジレスポンス手順でのユーザの積極的な関与を要求することなく、新鮮な生体信号の提出を保証する生物学的チャレンジレスポンスメカニズムを構築する。 In a preferred embodiment, the E-BioID system measures electrical biosignals from the human body via a conductive sensor plate. These same plates can be utilized for bidirectional interaction with the patient's nervous system, for example, by inducing a sympathetic skin reaction within the user with a small electrical stimulus applied through the plate. Such bi-directional interaction builds a biological challenge response mechanism that ensures the submission of fresh biological signals without requiring the user's active involvement in a challenge response procedure.
他のものは、過度の実験をすることもなく且つ包括的概念から乖離することなく種々の利用例に対して本明細書の実施形態を容易に修正して適合することができる。そのような適合及び修正は開示された実施形態の均等物の意義及び範囲の内部に包含されるべきであり、又、包含されることを意図する。 Others can easily modify and adapt the embodiments herein for various applications without undue experimentation and without departing from the generic concept. Such adaptations and modifications are to be included and intended to be included within the meaning and scope of equivalents of the disclosed embodiments.
本明細書で用いた文体若しくは用語は、記述のためのものであり内容を限定するものではないことが理解されるべきである。種々の開示された機能を実施するための手段、部材、及びステップは、種々の代替の形態を取り得、請求項の文言若しくは均等物の範囲内に依然収まるものである。 It should be understood that the style or terminology used herein is for the purpose of description and is not limiting. The means, members, and steps for carrying out various disclosed functions may take a variety of alternative forms and still fall within the scope of the words or equivalents of the claims.
従って、上述の明細書及び/又は請求項で見出され、機能的記述が続く“・・する手段”及び“・・ための手段”という表現、若しくは方法のステップの用語は、現在若しくは将来存在し上述の明細書で開示される実施形態の正確な均等物若しくは実施形態であろうと無かろうと、列挙の機能を実行する、即ち、同じ機能を実施する他の手段若しくはステップが利用され得る、あらゆる構造的な、物理的な、化学的な若しくは電気的な要素若しくは構成、又はあらゆる方法のステップを定義しカバーすることを意図しており、更に、それらの表現は最も広い解釈を与えるように意図されている。 Thus, the expressions “means for” and “means for” found in the above specification and / or claims and followed by a functional description, or the term of a method step, are present or future And whether it is an exact equivalent or embodiment of the embodiments disclosed in the above specification, other means or steps that perform the listed functions, i.e. perform the same functions, may be utilized. It is intended to define and cover any structural, physical, chemical or electrical element or configuration, or any method step, and their representation should give the broadest interpretation. Is intended.
12・・・信号取得モジュール、14・・・信号処理モジュール、16・・・出力モジュール、22・・・センサ、38・・・I/Oポート。
DESCRIPTION OF
Claims (27)
b)登録されたシグニチャデータベース、
c)上記心電図信号収集モジュールにより収集された心電図信号から、個人のグループの共通心電図特性を表す特性波形を除く心電図シグニチャ生成器を含む心電図信号プロセッサ、
d)心電図シグニチャを少なくとも1つの登録された心電図シグニチャと比較する心電図シグニチャ比較器、
e)上記比較のための識別閾値を動的に再計算する動的閾値生成器、及び、
f)出力モジュール
を含むバイオメトリック識別システム。a) ECG signal acquisition module,
b) a registered signature database;
c) an electrocardiogram signal processor including an electrocardiogram signature generator excluding a characteristic waveform representing a common electrocardiogram characteristic of a group of individuals from the electrocardiogram signal collected by the electrocardiogram signal collection module;
d) an ECG signature comparator that compares the ECG signature with at least one registered ECG signature;
e) a dynamic threshold generator that dynamically recalculates an identification threshold for the comparison; and
f) A biometric identification system including an output module.
b)個人のグループからの心電図を分解し該グループの共通特性を表す特性波形のセットを決定するステップ、
c)上記特性波形を除くことによって、上記患者の心電図を処理するステップ、
d)患者の処理された心電図を利用して該患者を識別するステップ、及び
e)上記識別のための識別閾値を動的に再計算して生成するステップ
を含む個人を識別する方法。a) collecting the patient's electrocardiogram;
b) decomposing an electrocardiogram from a group of individuals to determine a set of characteristic waveforms representing the common characteristics of the group;
c) processing the patient's electrocardiogram by removing the characteristic waveform;
d) identifying the patient using the patient's processed electrocardiogram; and
e) A method of identifying an individual comprising the step of dynamically recalculating and generating an identification threshold for said identification .
b)上記心電図信号を処理して心電図シグニチャを生成するステップ、
c)上記心電図シグニチャを複数の総合的心電図シグニチャと相関させるステップ、
d)上記相関の一つ又は複数を変換するステップ、
e)上記相関のための動的閾値を生成するステップ、及び、
f)識別結果を出力するステップ
を含むバイオメトリック識別の方法。a) collecting an electrocardiogram signal;
b) processing the electrocardiogram signal to generate an electrocardiogram signature;
c) correlating the electrocardiogram signature with a plurality of overall electrocardiogram signatures;
d) converting one or more of the correlations;
e) generating a dynamic threshold for the correlation; and
f) A method of biometric identification including the step of outputting identification results.
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