KR101510522B1 - System for classification electrocardiogram signals - Google Patents

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Abstract

심전도 신호 분류 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템은, 제1 심전도 신호를 제2 심전도 신호로 변환하는 전처리부, 상기 제2 심전도 신호에서 특성 벡터를 추출하는 특성 추출부 및 분류기를 이용하여 상기 특성 벡터를 분류하는 분류부를 포함하되, 상기 분류기는 상기 특성 벡터를 이용하여 상기 제1 심전도 신호를 복수의 질환 중 하나의 질환으로 분류한다.An electrocardiogram signal classification system is provided. The electrocardiogram signal classification system according to an embodiment of the present invention includes a preprocessor for converting a first electrocardiogram signal to a second electrocardiogram signal, a characteristic extractor for extracting a characteristic vector from the second electrocardiogram signal, Wherein the classifier classifies the first electrocardiogram signal as one of a plurality of diseases using the characteristic vector.

Description

심전도 신호 분류 시스템{SYSTEM FOR CLASSIFICATION ELECTROCARDIOGRAM SIGNALS}SYSTEM FOR CLASSIFICATION ELECTROCARDIOGRAM SIGNALS

본 발명은 심전도 신호 분류 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 형태학적 특성을 이용하여 신호 분류의 정확성을 향상시킨 심전도 신호 분류 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an electrocardiogram signal classification system, and more particularly, to an electrocardiogram signal classification system that improves the accuracy of signal classification using morphological characteristics.

심전도(Electrocardiogram, ECG) 신호는 심장 계통의 질환을 판단할 때 사용되는 중요한 신호로 심장에서 발생하는 전기적인 신호를 측정하여 심장에서부터 전극까지의 전도계통의 이상 유무를 확인하여 질환유무를 판별할 수 있게 하는 신호이다.Electrocardiogram (ECG) signal is an important signal used to judge the cardiovascular disease. By measuring the electrical signal generated in the heart, it is possible to judge the presence or absence of the conduction system from the heart to the electrode. .

심전도 신호의 발생 원인인 심장박동은 우심방(Right Atrium)에 자리잡은 동방결절(Sinus Node)에서 시작된 임펄스가 먼저 우심방과 좌심방(Left Atrium)을 탈분극(Deploarization)시키며 방실결절(Atrioventricular Node)에서 잠시 지체된 후 심실을 활성화시킨다. 중격(Septum)이 가장 빠르고 벽이 얇은 우심실은 벽이 두꺼운 좌심실보다 먼저 활성화 된다. 푸르키녜 섬유(Purkinje Fiber)까지 전달된 탈분극 파는 심근에서 파도(Wavefront)와 같이 심장내막에서 외 심막으로 퍼져 나가면서 심실수축을 일으키게 된다. 정상적으로 전기적 자극이 심장을 통하여 전도되기 때문에 심장은 분당 약 60~100회 수축된다. 각 수축은 1회 심박동수로 나타낸다.The heart rhythm, which is the cause of ECG signal, is caused by the impulse that starts from the sinus node located in the right atrium, first depolarizes the left atrium and left atrium, and temporarily loses from the atrioventricular node Activate the posterior chamber. The right ventricle with the fastest Septum and thin wall is activated before the wall thickened left ventricle. The depolarization waves delivered to the Purkinje Fiber are spread from the endocardium to the external pericardium, such as the wavefront, in the myocardium, causing ventricular contraction. Because the electrical stimulus normally conducts through the heart, the heart contracts about 60 to 100 times per minute. Each contraction is represented by one heart rate.

정상적인 심전도 신호는 PQRST파로 이루지고, P파는 심방의 탈분극과 수축, QRS는 심실의 탈분극과 수축, 그리고 T파는 심실의 탈분극을 나타낸다. 의사들은 PQRST 파의 패턴으로 심장 상태를 추론할 수 있다. 이러한 파들은 표준 형태를 갖추어야 심장의 전기적 활성이 정상이라고 볼 수 있다. 표준 형태를 파악하기 위해서는 각 파가 유지되는 시간, 각 파끼리의 간격(Interval), 각 파의 진폭, 첨도 등의 특징들이 정상 범위에 속하는지를 파악해야 한다. 이에 최근에는 실시간으로 심전도 신호를 자동으로 분류하는 연구가 실시되고 있다. 이와 관련하여, 한국공개특허공보 10-2008-0059369에는 심전도 신호를 분석하여 심전도 이상징후를 검출하는 것에 대해 개시되어 있다.Normal electrocardiogram signals are composed of PQRST waves, P wave is depolarization and contraction of the atrium, QRS is depolarization and contraction of the ventricle, and T wave represents ventricular depolarization. Physicians can infer cardiac status with a pattern of PQRST waves. These waves must have a standard form and the cardiac electrical activity is normal. In order to understand the standard form, it is necessary to determine whether the characteristics such as the time that each wave is held, the interval of each wave, the amplitude of each wave, and the kurtosis belong to the normal range. Recently, studies for classifying ECG signals automatically in real time have been carried out. In this regard, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2008-0059369 discloses an electrocardiogram signal analyzing method for detecting an abnormal electrocardiogram.

기존의 심전도 분석 알고리즘은 많은 양의 데이터를 긴 시간동안 분석해야 하고, 연산과정이 방대하여 실시간으로 심전도 신호를 분석하기 어려운 점이 있었다.The conventional electrocardiogram analysis algorithm has to analyze a large amount of data for a long time, and it is difficult to analyze the electrocardiogram signal in real time due to a large calculation process.

위와 같은 문제점으로부터 안출된 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 심전도 신호를 형태적 특성을 이용하여 분류함으로써, 분석의 정확성을 높인 심전도 신호 분류 시스템을 제공하고자 하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an electrocardiogram signal classification system which improves the accuracy of analysis by classifying electrocardiogram signals using morphological characteristics.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 심전도 신호를 분석하는 시간을 단축시키고, 실시간으로 분류할 수 있는 심전도 신호 분류 시스템을 제공하고자 하는 것이다.It is another object of the present invention to provide an electrocardiogram signal classification system capable of shortening the time for analyzing an electrocardiogram signal and classifying it in real time.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical objects of the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical subjects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 언급된 기술적 과제들을 해결하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템은, 제1 심전도 신호를 제2 심전도 신호로 변환하는 전처리부, 상기 제2 심전도 신호에서 특성 벡터를 추출하는 특성 추출부 및 분류기를 이용하여 상기 특성 벡터를 분류하는 분류부를 포함하되, 상기 분류기는 상기 특성 벡터를 이용하여 상기 제1 심전도 신호를 복수의 질환중 하나의 질환으로 분류한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an electrocardiogram signal classification system including a preprocessor for converting a first electrocardiogram signal into a second electrocardiogram signal, a processor for extracting a characteristic vector from the second electrocardiogram signal, And a classifier for classifying the characteristic vector using a characteristic extractor and a classifier, wherein the classifier classifies the first electrocardiogram signal as one of a plurality of diseases using the characteristic vector.

상기 특성 벡터는 프랙탈 차원(FD), 비대칭도(skewness), 첨도(kurtosis), 스펙트럼 엔트로피(SE), 전력스펙트럼밀도(PSD), QRS진폭(QRS amplitude), QRS간격(QRS duration) 중 하나를 포함할 수 있다.The feature vector may include one of fractal dimension (FD), skewness, kurtosis, spectral entropy (SE), power spectral density (PSD), QRS amplitude, QRS duration .

상기 프랙탈 차원은 히구치의 프랙탈 차원(HFD)를 적용할 수 있다.The fractal dimension may be a fractal dimension (HFD) of Higuchi.

상기 특성 추출부는 상기 제2 심전도 신호에서 QRS간격을 검출하고, 상기 QRS간격으로부터 상기 QRS진폭을 계산할 수 있다.The characteristic extracting unit may detect a QRS interval in the second electrocardiogram signal, and calculate the QRS amplitude from the QRS interval.

상기 QRS간격은 팬과 톰킨스 알고리즘(Pan and Tomkin`s algorithm)을 이용하여 검출할 수 있다.The QRS interval can be detected using the Pan and Tomkins algorithm.

상기 전처리부는 필터모듈을 포함하며, 상기 필터모듈을 이용하여 상기 제1 심전도 신호의 기저선 변동을 제거하는 필터링 과정을 수행할 수 있다.The pre-processor may include a filter module, and may perform a filtering process to remove a baseline variation of the first electrocardiogram signal using the filter module.

상기 전처리부는 샘플링 모듈을 더 포함하며, 상기 필터링된 제1 심전도 신호를 특정한 샘플링 주파수를 가지는 상기 제2 심전도 신호로 변환할 수 있다.The pre-processing unit may further include a sampling module, and may convert the filtered first electrocardiogram signal into the second electrocardiogram signal having a specific sampling frequency.

상기 샘플링 모듈은 고속퓨리에변환(FFT)을 기반으로한 보간과정을 수행할 수 있다.The sampling module may perform an interpolation process based on Fast Fourier Transform (FFT).

상기 분류기는 K-근접이웃(K-NN) 또는 가우시안 혼합 모델(GMM)을 포함할 수 있다.The classifier may comprise a K-proximity neighbor (K-NN) or a Gaussian mixture model (GMM).

상기와 같은 본 발명에 따르면, 심전도 신호를 프랙탈 차원 등과 같은 다양한 형태적 특성으로 분류하여 분류의 정확도를 높일 수 있으며, 샘플링 과정과 다양한 알고리즘을 이용하여 분석에 필요한 연산과정을 줄일 수 있다.According to the present invention, it is possible to classify the electrocardiogram signal into various morphological characteristics such as fractal dimension, thereby improving the accuracy of classification, and reduce the computational process required for the analysis using the sampling process and various algorithms.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템에서 심전도 신호의 개략적인 처리과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템에서 심전도 신호의 구체적인 분류과정을 나타내는 도면이다.
1 is a diagram showing a schematic configuration of an ECG signal classification system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a specific configuration of an electrocardiogram signal classification system according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a schematic processing procedure of an electrocardiogram signal in an electrocardiogram signal classification system according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a detailed classification process of an electrocardiogram signal in the electrocardiogram signal classification system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The terms " comprises "and / or" comprising "used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements in addition to the stated element.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, an electrocardiogram signal classification system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템의 기본 구성이 개시된다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템의 구체적인 구성을 나타내는 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템에서 심전도 신호의 개략적인 처리과정을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템에서 심전도 신호의 구체적인 분류과정을 나타내는 도면이다.1 and 2, a basic configuration of an electrocardiogram signal classification system according to an embodiment of the present invention is disclosed. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an electrocardiogram signal classification system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of an electrocardiogram signal classification system according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram illustrating a detailed classification process of an electrocardiogram signal in the electrocardiogram signal classification system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

본 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템(10)은, 전처리부(100), 특성 추출부(200)와 분류부(300)를 포함할 수 있다.The electrocardiogram signal classification system 10 according to the present embodiment may include a preprocessing unit 100, a characteristic extracting unit 200, and a classifying unit 300.

구체적으로, 본 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템(10)은, 제1 심전도 신호를 제2 심전도 신호로 변환하는 전처리부(100), 상기 제2 심전도 신호에서 특성 벡터를 추출하는 특성 추출부(200) 및 분류기를 이용하여 상기 특성 벡터를 분류하는 분류부(300)를 포함하되, 상기 분류기는 상기 특성 벡터를 이용하여 상기 제1 심전도 신호를 복수의 질환 중 하나의 질환으로 분류한다.Specifically, the electrocardiogram signal classification system 10 according to the present embodiment includes a preprocessor 100 for converting a first electrocardiogram signal into a second electrocardiogram signal, a characteristic extraction unit (not shown) for extracting a characteristic vector from the second electrocardiogram signal 200) and a classifier (300) for classifying the characteristic vector using a classifier, wherein the classifier classifies the first electrocardiogram signal as one of a plurality of diseases using the characteristic vector.

전처리부(100)는 수신받은 심전도 신호를 형태학적으로 분석하기 위한 준비과정을 수행할 수 있다. 본 실시예에서는 이를 전처리과정이라 하고, 전처리과정을 수행하기 위하여 필터모듈(110)과 샘플링 모듈(120)을 포함할 수 있다.The preprocessing unit 100 may perform a preparation process for morphologically analyzing the received electrocardiogram signal. In this embodiment, this is referred to as a preprocessing process and may include a filter module 110 and a sampling module 120 to perform a preprocessing process.

일반적으로 심전도 신호는 약 0.05∼100Hz의 주파수 대역을 가지면서, 내부 및 외부 요인들에 의한 다양한 잡음 성분들이 포함되어 있다. 심전도 신호 처리에 있어서 특히 중요하게 다루고 있는 전기적인 잡음 신호로는 전원 라인에서 발생하는 60Hz 대역의 변조파와 광대역 백색 잡음, 주변장치의 영향이나 환자의 움직임에 의한 근잡음, 그리고 환자의 호흡에 의한 기저선 변동 등이 있다. 심전도 신호의 측정과 해석에 있어서는 이러한 전기적인 잡음 신호에 대한 오차가 치명적으로 악영향을 미치는 경우가 다수 발생된다.Generally, electrocardiogram signals have a frequency band of about 0.05 to 100 Hz, and include various noise components due to internal and external factors. Electrical noise signals, which are especially important for ECG signal processing, include 60 Hz band-modulated and broadband white noise generated from the power supply line, peripheral noise due to peripheral devices or patient motion, and baseline And fluctuations. In the measurement and interpretation of electrocardiogram signals, there are many cases where the errors of such electrical noise signals are fatal.

QRS파와 P파 및 T파는 심장질환 판단에 있어서 가장 변별력 있는 요소가 되는데, 이러한 신호 성분은 일반적인 잡음 신호들과 진폭 및 시간 간격 등에서 유사한 특성을 띠는 문제점을 가진다. 즉 T파 및 ST부분의 왜곡은 신뢰성 있는 심장 질환 판단의 측면 에서 치명적인 악영향을 제공하게 되므로, 이러한 특징적인 신호들의 왜곡을 최소화함과 동시에 효과적으로 잡음 신호를 제거할 수 있는 알고리즘이 요구된다.QRS waves, P waves, and T waves are the most discriminating factors in heart disease judgment, and these signal components have similar characteristics in amplitude and time interval with general noise signals. That is, the distortion of the T wave and the ST portion provides a fatal adverse effect in terms of reliable heart disease judgment. Therefore, an algorithm capable of minimizing the distortion of these characteristic signals and effectively removing the noise signal is required.

특히 기저선 변동은 1Hz 미만의 저주파 성분의 잡음으로서 크기가 작고 저주파인 ST부분과 유사한 주파수대역을 가진다. ST부분은 심근경색이나 심근허혈과 같은 심장 질환 진단을 위해 매우 정확히 측정되어야 할 신호 성분이므로, 기저선 변동 잡음 제거에 있어서 ST부분의 왜곡 최소화는 반드시 고려되어야 한다.In particular, the baseline fluctuation is a noise of a low frequency component of less than 1 Hz and has a frequency band similar to that of the ST portion which is small in size and low in frequency. Since the ST segment is a signal component that should be measured very accurately for the diagnosis of heart disease such as myocardial infarction or myocardial ischemia, minimizing distortion of the ST segment in removing baseline fluctuation noise must be considered.

이를 위해, 필터모듈(110)은 심전도 신호의 기저선 변동을 제거하여 심전도 신호를 효과적으로 분석할 수 있다. 필터모듈(110)은 노치필터를 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 특정 주파수를 급격히 감쇠하는 대역차단필터(band reject filter, BRF)를 포함한 다양한 필터모듈로 구성될 수 있다. 필터링 과정을 거친 제1 심전도 신호는 기저선 변동이 제거되어 샘플링 모듈(120)로 전송될 수 있다.For this purpose, the filter module 110 can effectively analyze the electrocardiogram signal by removing the baseline variation of the electrocardiogram signal. The filter module 110 may be a notch filter, but is not limited thereto. The filter module 110 may include various filter modules including a band reject filter (BRF) for rapidly attenuating a specific frequency. The first electrocardiogram signal that has undergone the filtering process can be transmitted to the sampling module 120 after the baseline variation is eliminated.

샘플링 모듈(120)은 심전도 신호를 특정 주파수를 가지도록 샘플링 과정을 수행한다. The sampling module 120 performs a sampling process so that the electrocardiogram signal has a specific frequency.

샘플링 과정은 고속퓨리에변환(FFT)를 이용할 수 있다. 일반적으로 퓨리에변환(FT)은 시간축으로 나타나는 신호를 주파수 영역으로 관찰 할 때 사용된다. 이를 이용하면 시간에 따라 측정한 신호의 주파수 특성을 분석하거나 주파수 자료의 시간적 특성을 분석하는데 사용할 수 있다. 퓨리에변환을 연산하는 시간을 단축하기 위해, 특정한 시간간격으로 신호를 샘플링하여 디지털화하는데, 이를 고속퓨리에변환이라 한다. The sampling process can use Fast Fourier Transform (FFT). In general, the Fourier transform (FT) is used to observe the signal appearing on the time axis in the frequency domain. This can be used to analyze the frequency characteristics of signals measured over time or to analyze temporal characteristics of frequency data. In order to shorten the time for computing the Fourier transform, a signal is sampled at a specific time interval and digitized, which is referred to as fast Fourier transform.

MIT/BIH 데이터베이스는 심전도 신호처리에 있어서 널리 이용되고 있는 임상데이터로서, 360Hz의 샘플링 주파수를 가진다. 효과적인 심전도 신호의 분석을 위해, 심전도 신호를 360Hz의 샘플링 주파수를 가지도록 샘플링 하되, 이에 한정되는 것은 아니며 ST-T 데이터베이스의 250Hz 샘플링 주파수로 샘플링 하는 등 신호를 분석하기 위한 다양한 주파수가 사용될 수 있다.The MIT / BIH database is a clinical data widely used in ECG signal processing and has a sampling frequency of 360 Hz. For the analysis of an effective electrocardiogram signal, various frequencies may be used for analyzing a signal, such as sampling the electrocardiogram signal at a sampling frequency of 360 Hz, but not limited thereto, sampling at a sampling frequency of 250 Hz of the ST-T database.

심전도 신호는 전처리부(100)를 통과하며 기저선 변동을 제거했지만 전술한 바와 같은 다양한 잡음이 더 포함되어 있을 수 있다. 이러한 잡음 요소들의 영향을 감소함으로써 신호 대 잡음비를 향상시킬 필요가 있다. 일반적으로, 심전도 신호에서 R파의 기울기는 심전도 신호 분석에 있어 QRS파를 찾는데 사용되는 신호 특징이다. 아날로그 회로 또는 기울기 정보를 제공하는 실시간 도함수 알고리즘은 비교적 구현하기 용이하다. 하지만, 도함수는 필요없는 고주파 잡음 성분을 증폭시킬 수 있다. 또한 순수 도함수 방식에서, 큰 진폭과 긴 주기를 가지는 비정상적인 QRS파는 상대적으로 낮은 R파의 기울기로 인해 사라진다. 따라서 R파의 기울기만으로는 적절한 QRS파 검출에 한계가 있다.Although the electrocardiogram signal passes through the preprocessing unit 100 and removes baseline variation, it may further include various noise as described above. It is necessary to improve the signal-to-noise ratio by reducing the influence of such noise components. Generally, the slope of the R wave in an electrocardiogram signal is a signal characteristic used to find a QRS wave in an electrocardiogram signal analysis. Real-time derivative algorithms that provide analog circuitry or slope information are relatively easy to implement. However, the derivative can amplify unnecessary high frequency noise components. Also, in the pure derivative scheme, the abnormal QRS wave with large amplitude and long cycle disappears due to the relatively low R wave slope. Therefore, only the slope of the R wave has a limitation on the detection of an appropriate QRS wave.

이를 위해, 특성 추출부(200)는 팬과 톰킨스의 알고리즘(Pan and Tompkins algorithm)을 이용하여 심전도 신호로부터 잡음의 간섭을 제거하고 QRS파를 검출할 수 있다. 팬과 톰킨스 알고리즘은 대역 통과 필터(band pass filter, BPF), 미분계수, 그리고 이동 창 적분기를 이용한다.For this, the characteristic extraction unit 200 can remove the interference of the noise from the electrocardiogram signal and detect the QRS wave using the Pan and Tompkins algorithm (Pan and Tompkins algorithm). The pan and Tompkins algorithms use band pass filters (BPFs), differential coefficients, and moving window integrators.

심전도 신호는 로우 패스 필터(low pass filter, LPF)와 하이 패스 필터(high pass filter, HPF)를 포함하는 대역통과필터(band pass filter, BPF)를 통과하여 다양한 간섭잡음이 제거된다. 필터를 통과한 신호는 도함수 과정을 거쳐 QRS파의 기울기 정보를 제공하기 위해 분화(differentiation)된다. 분화 후, 신호는 제곱, 이동 창 적분등의 서로 다른 계산단계를 거쳐 적합임계값을 설정한다.The electrocardiogram signal passes through a band pass filter (BPF) including a low pass filter (LPF) and a high pass filter (HPF) to eliminate various interference noises. The signal passed through the filter is differentiated to provide the slope information of the QRS wave through the derivative process. After differentiation, the signal is subjected to different calculation steps such as square, moving window integration, etc. to set the appropriate threshold value.

특성 추출부(200)는 전처리 과정을 거친 심전도 신호의 특성벡터를 추출 할 수 있다. 특성벡터를 이용하여 심전도 신호의 분류를 효과적으로 수행할 수 있다. 심전도 신호는 비선형 신호이므로 신호 분류를 하기 위해 여러가지 특징들을 고려할 수 있다. 상기 특성 벡터는 대부분 시간이나 주파수 영역에서 하나 또는 여러 형태로 그룹화 되어 있을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 특정벡터를 추출하기 위해 검출된 QRS신호의 프랙탈 차원(FD), QRS간격(QRS duration), QRS진폭(QRS amplitude), 스펙트럼 엔트로피(Spectral entropy), 첨도(kurtosis), 전력스펙트럼밀도(PSD)등의 형태적 특징 이용할 수 있다. The characteristic extracting unit 200 can extract the feature vector of the electrocardiogram signal after the preprocessing process. It is possible to effectively classify the electrocardiogram signal using the characteristic vector. Since the electrocardiogram signal is a nonlinear signal, various features can be considered for signal classification. Most of the feature vectors may be grouped into one or several types in the time or frequency domain. In an exemplary embodiment of the present invention, a fractal dimension (FD), a QRS duration, a QRS amplitude, a spectral entropy, a kurtosis, And a power spectral density (PSD).

프랙탈 차원은 다양한 방법을 사용하여 측정 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 히구치 프랙탈 차원(HFD)가 사용될 수 있다. 히구치의 프랙탈 차원은 이산 시계열에서의 프랙탈 차원을 효과적으로 계산할 수 있으며, 잡음의 영향도 비교적 적을 수 있다.Fractal dimensions can be measured using a variety of methods. In one embodiment of the present invention, a Higuchi fractal dimension (HFD) may be used. The fractal dimension of Higuchi can effectively calculate the fractal dimension in discrete time series, and the influence of noise can be relatively small.

시계열 x(1), x(2), ???, x(N)에서 m=1, 2, ???,k 에 대한 새로운 시계열 k를 구성하고, 수식 1에 나타난다.Construct a new time series k for m = 1, 2, ???, k in time series x (1), x (2), ???, x (N)

Figure 112013064494825-pat00001
Figure 112013064494825-pat00001

여기서 k와 m은 정수이다. 이러한 k와 m의 길이는 수식 2와 같이 정의될 수 있다.Where k and m are integers. The length of k and m can be defined as shown in Equation (2).

Figure 112013064494825-pat00002
Figure 112013064494825-pat00002

N은 샘플의 총 개수다. 시간간격 K와 L(k)는 K값의 평균으로 계산된다. 히구치 프랙탈 차원은 ln[Lk], ln(1/k) 쌍에 적합한 기울기이다.N is the total number of samples. The time intervals K and L (k) are calculated as the average of the K values. The Higuchi fractal dimension is a slope suitable for the pair of ln [Lk], ln (1 / k).

스펙트럼 엔트로피는 심전도 신호의 스펙트럼상의 복잡한 특징들을 수량화할 수 있다. 스펙트럼 엔트로피는 고속퓨리에변환하기 위한 심전도 신호를 변환하여 얻을 수 있다. 후술하는 전력스펙트럼을 계산한 후에, 각 주파수를 숫자값에 매핑하기위해 샤논함수(Shanon function)를 적용할 수 있다. 엔트로피 E는 수식 3과 같이 나타낼 수 있다.Spectrum entropy can quantify complex features in the spectrum of an ECG signal. The spectral entropy can be obtained by converting the electrocardiogram signal for fast Fourier transform. After calculating the power spectrum described below, a Shannon function can be applied to map each frequency to a numerical value. Entropy E can be expressed as:

Figure 112013064494825-pat00003
Figure 112013064494825-pat00003

Pn은 주파수 n에서의 전력스펙트럼 밀도이다.Pn is the power spectral density at frequency n.

QRS구간은 심전도 분류에 대한 또 다른 중요한 특성벡터로 간주될 수 있다. QRS파의 일반적인 구간은 0.06초~0.12초 사이이다. 첨도는 심전도 신호가 정규 분포의 정점 또는 평면인지를 측정할 수 있다. 첨도 K는 수식 4와 같이 나타낼 수 있다.The QRS interval can be considered another important feature vector for ECG classification. The typical interval of QRS waves is between 0.06 and 0.12 seconds. The kurtosis can measure whether the electrocardiogram signal is a vertex or plane of the normal distribution. The kurtosis K can be expressed as Equation 4.

Figure 112013064494825-pat00004
Figure 112013064494825-pat00004

σ는 X의 표준편차이고, μ는 X의 평균이다. 이와 비슷하게 비대칭도는 데이터의 비대칭성을 측정하며, 수식 5와 같이 나타낼 수 있다.σ is the standard deviation of X, and μ is the average of X. Similarly, the asymmetry measures the asymmetry of the data and can be expressed as:

Figure 112013064494825-pat00005
Figure 112013064494825-pat00005

σ는 X의 표준편차이고, μ는 X의 평균이다.σ is the standard deviation of X, and μ is the average of X.

본 발명의 일 실시예에서, 형태적 특징으로 전력스펙트럼밀도(PSD)또한 포함 될 수 있다. 전력스펙트럼밀도는 시계열의 주파수 분포를 정의할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the power spectral density (PSD) may also be included as a morphological feature. The power spectral density can define the frequency distribution of the time series.

분류부(300)는 분류기를 이용하여 특성벡터를 복수의 질환 중 하나의 질환으로 분류할 수 있다. 분류기는 K-근접이웃(K-NN)과 가우시안 혼합 모델(GMM)을 이용할 수 있다. 상기 두 분류 알고리즘은 시계열 신호를 분류하기 위해 일반적으로 사용된다. 심전도 신호를 분류하기 위해 이러한 알고리즘은 기술적인 특징들의 집합이 필요하며, 이를 위한 특징으로 전술한 형태적 특징들을 이용할 수 있다.The classifier 300 may classify the feature vector as one of a plurality of diseases using a classifier. The classifier can use K-proximity neighbors (K-NN) and Gaussian mixture model (GMM). The two classification algorithms are generally used to classify time series signals. To classify electrocardiographic signals, these algorithms require a collection of technical features, which can take advantage of the morphological features described above.

K-근접이웃(K-NN)은 비모수적 학습 알고리즘이며, 거리기반 분류기의 한 종류이다. K-근접이웃은 데이터를 특성 벡터공간에 해당하는 것을 가정한다. 일반적으로 유클리드 거리가 길의 행렬로 사용될 수 있다.K-Near Neighbors (K-NN) is a non-parametric learning algorithm and is a kind of distance-based classifier. The K-proximity neighbors assume that the data corresponds to the feature vector space. In general, the Euclidean distance can be used as a matrix of lengths.

Figure 112013064494825-pat00006
Figure 112013064494825-pat00006

K-NN 알고리즘은 학습된 심전도 신호의 특성 데이터에 가장 가까운 이웃이 계산된다. 그런 다음, K이웃과 K최근접 이웃간의 거리를 측정한다. K최근접 이웃이 조사되고, 그 대부분이 속해 있는 그룹이 표시된다.The K-NN algorithm calculates the neighbors closest to the characteristic data of the learned ECG signal. Then, measure the distance between K neighbor and K nearest neighbor. K Nearest neighbors are examined, and the group to which most of them belong is displayed.

가우시안 혼합모델(GMM)은 데이터의 분류에 유용하며, 일반적으로 모수적 학습 알고리즘에 사용된다. 가우시안 혼합 모델은 가우시안 분포의 선형 조합으로 데이터의 각 그룹을 제공할 수 있다. 매개변수는 최대-최소 알고리즘을 사용하여 학습된 데이터에서 추론한다. 기대값과 최대값은 각각 E단계와 M단계로 불릴 수 있다. E단계는 숨겨진 변수의 조건부 기대값을 계산할 수 있다. M단계에서, 초기 모델은 로그 기대값이 이전 단계보다 높으면 새로운 모델로 대체될 수 있다. 가우시안 혼합 모델은 m 요소 밀도의 가중치의 합이고, 수식 7과 같이 나타낼 수 있다.The Gaussian Mixture Model (GMM) is useful for classification of data and is generally used for parametric learning algorithms. The Gaussian mixture model can provide each group of data as a linear combination of Gaussian distributions. The parameters are derived from the learned data using a max-min algorithm. The expected value and the maximum value may be referred to as E step and M step, respectively. Step E can calculate the conditional expectation of a hidden variable. In step M, the initial model may be replaced with a new model if the log expectation value is higher than the previous step. The Gaussian mixture model is the sum of the weights of the m element densities and can be expressed as:

Figure 112013064494825-pat00007
Figure 112013064494825-pat00007

X는 D-차원의 특성벡터이다. 은 가우시간 밀도이며, 혼합된 가중치이다.X is a D-dimensional property vector. Is the Gaussian time density, and is a mixed weight.

도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템에서 심전도 신호의 분류 과정이 도시된다.3 to 4, an ECG signal classification process in an ECG signal classification system according to an embodiment of the present invention is shown.

먼저 제1 심전도 신호가 전처리부(100)에 수신는 단계를 수행할 수 있다(S10).The first electrocardiogram signal may be received by the preprocessing unit 100 (S10).

다음으로, 수신된 제1 심전도 신호는 기저선 변동을 제거하기 위해 필터모듈(110)을 거치고, 샘플링 모듈(120)은 신호의 분석을 위해 특정 주파수로 샘플링한 제2 심전도 신호를 생성할 수 있다(S20).Next, the received first electrocardiogram signal may pass through the filter module 110 to remove baseline variations, and the sampling module 120 may generate a second electrocardiogram signal sampled at a specific frequency for analysis of the signal S20).

제2 심전도 신호가 특성 추출부(200)에 송신되면, 팬과 톰킨스 알고리즘을 이용하여 QRS파를 검출할 수 있다(S30). 검출된 QRS는 형태적 특성을 이용하여 특성벡터를 추출할 수 있다(S40). 상기 형태적 특성은 QRS파의 프랙탈 차원, QRS간격, QRS진폭, 첨도, 스펙트럼 엔트로피, 전력스펙트럼밀도 등을 포함할 수 있다.When the second electrocardiogram signal is transmitted to the characteristic extraction unit 200, the QRS wave can be detected using the fan and the Tompkins algorithm (S30). The detected QRS can extract the feature vector using the morphological characteristic (S40). The morphological characteristic may include a fractal dimension of a QRS wave, a QRS interval, a QRS amplitude, a kurtosis, a spectral entropy, a power spectral density, and the like.

특성된 추출벡터는 분류부(300)에서 K-근접이웃(K-NN)과 가우시안 혼합 모델(GMM)를 이용한 분류기를 거쳐 복수의 질환 중 하나의 질환으로 분류될 수 있다(S50).The extracted extraction vector may be classified as one of a plurality of diseases through a classifier using a K-nearest neighbor (K-NN) and a Gaussian mixture model (GMM) in the classifier 300 (S50).

도3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호 분류 시스템에서 심전도 신호의 개략적인 처리과정이 도시된다.Referring to FIGS. 3 to 4, an outline process of an electrocardiogram signal in an electrocardiogram signal classification system according to an embodiment of the present invention is shown.

먼저, 제1 심전도 신호를 수신하는 단계를 수행한다(S10). 수신된 제1 심전도 신호는 전처리부(100)에서 전처리과정을 수행할 수 있다(S20). 전처리 과정은 필터링 및 샘플링 과정을 수행할 수 있고, 전처리부(100)는 잡음을 제거하기 위한 필터 모듈(110)과 특정 주파수를 가지도록 샘플링하는 샘플링 모듈(120)을 포함할 수 있다. 제1 심전도 신호를 전처리 과정을 거치고 난 후 제2 심전도 신호로 변경되어 특성 추출부(200)에 송신될 수 있다.First, a step of receiving a first electrocardiogram signal is performed (S10). The received first electrocardiogram signal may be subjected to a preprocessing process in the preprocessing unit 100 (S20). The preprocessing process may include a filtering and sampling process, and the preprocessing unit 100 may include a filter module 110 for removing noise and a sampling module 120 for sampling a signal having a specific frequency. After the first electrocardiogram signal is subjected to a preprocessing process, it may be changed to a second electrocardiogram signal and transmitted to the characteristic extraction unit 200.

다음으로, 제2 심전도 신호의 특성을 선택하는 과정을 수행할 수 있다(S30, S40). 특성 추출부(200)는 제2 심전도 신호를 분석하는데 있어 가장 효과적인 QRS파를 검출하기 위해 팬과 톰킨스 알고리즘을 사용할 수 있다(S30). 검출된 QRS파는 형태적 특성에 따라 특성벡터를 추출할 수 있다(S40). 형태적 특성은 프랙탈 차원, QRS파의 진폭, QRS파의 간격, 첨도와 전력스펙트럼밀도를 포함할 수 있다.Next, a process of selecting a characteristic of the second electrocardiogram signal can be performed (S30, S40). The characteristic extracting unit 200 may use a pan and a Tompkins algorithm to detect the most effective QRS wave in analyzing the second electrocardiogram signal (S30). The detected QRS wave can extract the characteristic vector according to the morphological characteristic (S40). Morphological characteristics may include fractal dimension, QRS wave amplitude, QRS wave interval, kurtosis and power spectral density.

마지막으로, 추출된 특성벡터를 분류기를 이용하여 복수의 질환 중 하나의 질환으로 분류하는 단계를 수행할 수 있다(S50). 분류기는 K-근접이웃과 가우시안 혼합모델 알고리즘을 적용할 수 있다.Finally, a step of classifying the extracted feature vector as one of a plurality of diseases using a classifier can be performed (S50). The classifier can apply the K-neighborhood neighbors and the Gaussian mixture model algorithm.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, You will understand. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

10: 심전도 신호 분류 시스템
100: 전처리부
110: 필터 모듈
120: 샘플링 모듈
200: 특성 추출부
300: 분류부
10: ECG signal classification system
100: preprocessing section
110: Filter module
120: Sampling module
200:
300:

Claims (9)

제1 심전도 신호를 제2 심전도 신호로 변환하는 전처리부;
상기 제2 심전도 신호에서 특성 벡터를 추출하는 특성 추출부; 및
분류기를 이용하여 상기 특성 벡터를 분류하는 분류부를 포함하되,
상기 분류기는 상기 특성 벡터를 이용하여 상기 제1 심전도 신호의 질환을 복수의 질환 중 하나의 질환으로 분류하되,
상기 특성 추출부는 상기 제2 심전도 신호로부터 제1 특성 벡터로서 프랙탈 차원(FD)을 추출하고, 상기 제2 심전도 신호로부터 제2 특성 벡터로서 스펙트럼 엔트로피(spectral entropy)를 추출하고, 상기 제2 심전도 신호로부터 제3 특성 벡터로서 QRS간격(QRS duration)을 추출하되,
상기 분류기는 상기 제1 특성 벡터, 상기 제2 특성 벡터, 상기 제3 특성 벡터를 이용하여 비모수적 학습 알고리즘을 통해 상기 제1 심전도 신호의 질환을 복수의 질환 중 하나의 질환으로 분류하는 것인, 심전도 신호 분류 시스템.
A preprocessing unit for converting the first electrocardiogram signal into a second electrocardiogram signal;
A feature extraction unit for extracting a feature vector from the second electrocardiogram signal; And
And a classifier for classifying the feature vector using a classifier,
Wherein the classifier classifies the disease of the first electrocardiogram signal as one of a plurality of diseases using the characteristic vector,
Wherein the characteristic extraction unit extracts a fractal dimension (FD) as a first characteristic vector from the second electrocardiogram signal, extracts a spectral entropy as a second characteristic vector from the second electrocardiogram signal, (QRS duration) as a third characteristic vector,
Wherein the classifier classifies the disease of the first electrocardiogram signal as one of a plurality of diseases through a non-parametric learning algorithm using the first characteristic vector, the second characteristic vector, and the third characteristic vector. Electrocardiogram signal classification system.
제1항에 있어서,
상기 특성 벡터는 상기 프랙탈 차원(FD), 비대칭도(skewness), 첨도(kurtosis), 상기 스펙트럼 엔트로피(spectral entropy), 전력스펙트럼밀도(PSD), QRS진폭(QRS amplitude), 상기 QRS간격(QRS duration)을 포함하되,
상기 비모수적 학습 알고리즘은 K-근접이웃(K-NN)인 것인, 심전도 신호 분석 시스템.
The method according to claim 1,
The feature vector may include at least one of a fractal dimension, a skewness, a kurtosis, a spectral entropy, a power spectral density, a QRS amplitude, a QRS duration, ),
Wherein the non-parametric learning algorithm is a K-proximity neighbor (K-NN).
제2항에 있어서,
상기 프랙탈 차원은 히구치의 프랙탈 차원(HFD)를 적용하는, 심전도 신호 분석 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein said fractal dimension applies a fractal dimension (HFD) of Higuchi.
제2항에 있어서,
상기 특성 추출부는 상기 제2 심전도 신호에서 QRS간격을 검출하고, 상기 QRS간격의 상기 QRS진폭을 계산하는, 심전도 신호 분석 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the characteristic extractor detects the QRS interval in the second electrocardiogram signal and calculates the QRS amplitude of the QRS interval.
제4항에 있어서,
상기 QRS간격은 팬과 톰킨스 알고리즘(Pan and Tomkin`s algorithm)을 이용하여 검출하는, 심전도 신호 분석 시스템.
5. The method of claim 4,
Wherein the QRS interval is detected using a pan and a Tomkins algorithm.
제1항에 있어서,
상기 전처리부는 필터모듈을 포함하며, 상기 필터모듈을 이용하여 상기 제1 심전도 신호의 기저선 변동을 제거하는 필터링 과정을 수행하는, 심전도 신호 분류 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the preprocessing unit includes a filter module and performs filtering to remove a baseline variation of the first electrocardiogram signal using the filter module.
제6항에 있어서,
상기 전처리부는 샘플링 모듈을 더 포함하며, 상기 필터링된 제1 심전도 신호를 특정한 샘플링 주파수를 가지는 상기 제2 심전도 신호로 변환하는, 심전도 신호 분석 시스템.
The method according to claim 6,
Wherein the preprocessing unit further includes a sampling module and converts the filtered first electrocardiogram signal into the second electrocardiogram signal having a specific sampling frequency.
제7항에 있어서,
상기 샘플링 모듈은 고속퓨리에변환(FFT)을 기반으로한 보간과정을 수행하는, 심전도 신호 분류 시스템.
8. The method of claim 7,
Wherein the sampling module performs an interpolation process based on Fast Fourier Transform (FFT).
제1항에 있어서,
상기 분류기는 상기 비모수적 학습 알고리즘 및 모수적 학습 알고리즘 중 적어도 하나를 통해 상기 제1 심전도 신호의 질환을 복수의 질환 중 하나의 질환으로 분류하는 것이되,
상기 비모수적 학습 알고리즘은 K-근접이웃(K-NN)이고, 상기 모수적 학습 알고리즘은 가우시안 혼합 모델(GMM)인 것인, 심전도 신호 분류 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the classifier classifies the disease of the first electrocardiogram signal as one of a plurality of diseases through at least one of the non-parametric learning algorithm and the parametric learning algorithm,
Wherein the non-parametric learning algorithm is a K-proximity neighbor (K-NN) and the parametric learning algorithm is a Gaussian mixture model (GMM).
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