KR100400213B1 - 심전도 신호의 기저선 동요 제거장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 심전도장치에서 사용되어 심전도신호에서 기저선 동요를 제거하는 장치에 관한 것으로서, 심전도 신호의 기저선동요성분제거 장치는 직류 신호를 입력으로 하고, 직전의 심전도 신호에서 직전의 기저선 동요 성분으로 추정된 신호를 제거한 직전의 오차 신호를 받아 필터계수를 조정하면서 추정된 기저선 성분 신호를 생성하는 적응필터; 심전도 신호를 입력으로 하여, 심전도 신호의 크기의 변화의 정도에 반비례하는 계수 α와, 심전도 신호의 크기의 변화의 정도에 비례하는 계수 β를 결정하는 기저선성분재조정계수결정부; 기저선성분재조정계수결정부에서 계수 α와 계수 β를 입력받고, 적응필터에서 추정된 기저선 성분을 입력받아, 직전의 심전도 신호에 대하여 기저선 동요 성분으로서 제거한 신호의 크기에 계수 α를 곱한 신호와 적응필터에서 생성된 추정된 기저선 성분 신호에 계수 β를 곱한 신호를 더하여 추정된 기저선 동요 성분 신호를 생성하는 기저선성분재조정부; 심전도 신호에서 기저선성분재조정부에서 생성한 추정된 기저선 동요 성분 신호를 감하여 오차 신호 및 출력 신호를 생성하는 감산기를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 심전도 신호의 기저선 변화 폭에 따라 특성이 변하는 저역통과 필터로 적응필터에 의해 계산된 기저선 동요 신호를 한번 더 처리하는 효과를 가져오게 되어 기저선 제거용 필터에 의한 왜곡을 줄일 수 있다.

Description

심전도 신호의 기저선 동요 제거장치

본 발명은 신체의 표면에서 전극을 사용하여 심전도 신호를 검출하고, 검출된 심전도 신호를 증폭시키고 디지털 변환한 다음, 컴퓨터 등으로 유용한 진단정보를 추출하는 심전도장치에서 사용되는 신호처리장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 상기 심전도신호에서 기저선 동요(Baseline Wander)를 제거하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 디지털 변환된 심전도 신호를 디지털신호처리기(Digital Signal Processor:이하에서 DSP라 한다)를 사용하여 실시간 처리하는 전처리 과정, 또는 입력신호를 저장한 후 실제적인 진단 등의 처리를 하는 과정에서 기저선 동요성분을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 그 구성요소로 적응 필터를 사용하되, 신호의 크기 변화를 감지하고 이에 따라 적응필터로 추정한 기저선 동요성분의 신호를 재조정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 심전도 신호는 여러가지 성분으로 구성되는데, 그 성분들 중에는 진단에 방해가 되는 신호성분들, 예를 들면, 기저선 동요 성분과 전원잡음 그리고 고주파 근잡음 등도 포함되어 있다. 그 중에서, 기저선 동요잡음은 저주파의 신호로서 0 Hz에서 수 Hz의 주파수성분으로 구성되며, 통상적으로 심전도 신호의 전처리 과정에서 이 성분을 제거하게 된다.

그런데, 검출된 심전도 신호 중에는 T파에 포함된 저주파신호가 있는데, 이 신호는 진단에 있어 중요한 성분으로서, 기저선 동요 성분을 제거하는 과정에서 이 신호도 같이 제거되면 진단의 오류를 야기할 수 있다.

기저선 동요 성분을 제거하기 위해서 일반적으로 사용하는 방법은 적응필터를 사용하는 방법이다. 즉, 기준신호로서 직류(DC) 또는 상수를 입력하고, 심전도 신호에서 기준신호와 상관된 신호를 제거하는 방법을 사용한다. 이때, 그 필터의 특성상 0 Hz 근처 뿐만 아니라, 그보다 높은 주파수의 신호도 상당 부분 제거되는 왜곡현상이 발생하게 된다. 결국, 기저선 동요 성분이 적을 때 또는 기저선 동요 성분이 극 저주파 영역에만 한정되어 있는 경우에는, 상대적으로 왜곡되는 성분이 많게 된다. 또한, 상기한 바와 같이, T파에 포함된 저주파 성분이 함께 제거되므로, 진단에 있어 중요한 신호성분도 함께 제거되는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 기저선 동요성분이 적을 때는 제거하는 신호의 양을 줄여서 심전도 신호의 왜곡을 가능한 줄일 수 있고 T파가 제거되는 것을 방지하는 심전도 신호의 기저선 동요 제거장치 및 그 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 심전도 신호의 기저선 동요 제거장치의 전체 구성을 도시한 블럭도이다.

도 2는 도 1에 도시된 본 발명에서 사용되는 적응 필터의 일실시예를 도시한 것이다.

도 3은 소정의 시점에서 심전도 신호의 평균값을 구하기 위한 윈도우와 시간간격의 관계를 도시한 것이다.

도 4a 내지 도 4c는 적응 필터만을 사용하여 기저선을 제거한 심전도 신호의 실험결과를 도시한 것이다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 의한 심전도 신호의 기저선 동요 제거장치를 거친 심전도 신호의 실험결과를 도시한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 심전도 신호의 기저선 동요 성분을 제거하는 장치는 직류 신호를 입력으로 하고, 한 샘플 직전의 심전도 신호에서 기저선 동요 성분으로 추정된 신호를 제거한 한 샘플 직전의 오차 신호를 받아 필터계수를 조정하면서 추정된 기저선 성분 신호를 생성하는 적응필터; 상기 심전도 신호를 입력으로 하여, 상기 심전도 신호의 크기의 변화의 정도에 반비례하는 계수 α와, 상기 심전도 신호의 크기의 변화의 정도에 비례하는 계수 β를 결정하는 기저선성분재조정계수결정부; 상기 기저선성분재조정계수결정부로 부터 상기 계수 α와 상기 계수 β를 입력받고, 상기 적응필터로부터 추정한 기저선 성분을 입력받아, 한 샘플 전의 심전도 신호에서 제거된 기저선 동요성분 신호의 크기에 상기 계수 α를 곱한 신호와 상기 적응필터에서 현재의 입력신호에 대해서 추정한 기저선 성분 신호에 상기 계수 β를 곱한 신호를 더하여 재조정된 기저선 동요 성분 신호를 생성하는 기저선성분재조정부; 상기 심전도 신호에서 상기 기저선성분재조정부에서 생성한 기저선 동요 성분 신호를 감하여 상기 오차 신호 및 출력 신호를 생성하는 감산기를 포함함을 특징으로 한다.

이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 심전도 신호의 기저선 동요 제거장치의 전체 구성을 도시한 블록도이다. 도 1에 의하면, 본 발명에 의한 심전도 신호의 기저선 동요 제거장치는 적응필터(100), 기저선성분재조정계수결정부(110), 기저선성분재조정부(120) 및 감산기(130)를 포함하여 구성된다.

여기에서, 기저선 동요 제거용 적응 필터(100)는 일반적으로 사용되는 공지의 기술로서 DC 또는 상수를 입력으로 하고, 심전도 신호에서 이 신호와 상관관계가 없는 신호를 오차(error)로 받아, 계속하여 그 계수를 조정해 가면서 기저선 동요 성분을 제거해 간다.

도 2는 도 1에 도시된 본 발명에서 사용되는 적응 필터의 일실시예를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 적응 필터의 구조는 위너 해법(wiener solution)에 근접하는 계수를 구하기 위한 구조로서, 일반적으로 최소평균자승(least mean square : LMS) 알고리듬(algorithm)이 많이 사용된다. 적응필터의 구조 및 해법은 공지의 기술로서 본 발명의 영역이 아니므로, 여기에서는 구체적인 설명은 생략한다. 결국 적응필터의 출력인 필터출력(FilterOut)신호는 입력신호인 상수 또는 DC신호와 상관관계가 있는 심전도 신호의 기저선성분이 된다.

상기 기저선성분재조정부(120)는 상기 심전도 신호의 기저선 성분인 필터 출력신홀르 재조정한다. 상기 기저선성분재조정부(120)에서 Base[N]은 현재 입력되는 심전도 신호에서 기저선 동요성분으로서 제거할 신호의 크기를 나타내고, Base[N-1]은 이전 입력된 심전도 신호에 대해서 제거한 신호의 크기를 나타낸다. 입력되는 심전도 신호에서 Base[N]을 제거한 신호가 오차(error)로서, 심전도 신호에서 기저선 동요 성분이 제거된 신호이다.

상기 기저선성분재조정계수결정부(110)는 Base[N]을 구하는 과정에서 필요로 하는 심전도 신호의 크기의 변화의 정도에 반비례하는 계수 α와, 상기 심전도 신호의 크기의 변화의 정도에 비례하는 계수 β를 결정한다.

도 3은 소정의 시점에서 심전도 신호의 평균값을 구하기 위한 윈도우와 시간간격의 관계를 도시한 것이다. 도 3에서 도시한 바와 같이, 평균값 1은 과거의 시점에서 계산한 심전도 신호의 크기이고, 평균값 2는 최근 시점에서 계산한 심전도 신호의 크기로 정한다. 평균값을 계산하는 방법은 계산하고자 하는 시점을 중심으로 윈도우값을 곱하고 가산하는 것이다. 이때, 사용할 수 있는 윈도우로는 가우시안 윈도우(Gaussian window)를 포함하여 직사각형 윈도우(rectangular window), 삼각형 모양의 윈도우 등 시스템의 전체 특성을 고려하여 선택하면 된다. 윈도우의 길이를 2M+1, 시간 n에서의 심전도 크기를 x[n], 윈도우의 크기를 W(n), 평균값을 계산하고자 하는 시점을 k이라고 할 때, 평균값을 계산하는 식은 다음과 같다.

여기서 구한 평균값은 다시 정수형으로 바꾸어 사용한다. 이하 평균값은 모두 정수형이다.

두개의 시점에서 구한 평균값 1과 평균값 2로부터 α, β를 결정하는 것은 시스템의 특성에 따라 결정하게 되는데, α는 두 평균값의 크기 차이에 반비례하고, β는 비례하게 한다. 즉,

,

,

단 평균값1=평균값2 일 때 α=1이다. 여기서 상수1과 상수2는 전체 심전도 시스템의 특성에 맞도록 조정하여 0≤α,β≤1 이 되도록 한다.

이렇게 계산된 α,β를 도 1의 상기 기저선성분재조정부(120)에 적용하면, 심전도 신호의 기복이 심한 경우, 즉 기저선 성분이 많은 경우에는 필터출력(FilterOut)신호가 강조된다. 그리고, 심전도 신호의 기복이 없을 경우에는, 배이스(Base)신호의 변화가 적어져서 추정된 기저선 동요 신호 값은 과거의 값과 비교하여 변화가 적어지게 된다.

결국, 도 1의 상기 기저선성분재조정부(120)에서 오차(error)신호는 필터출력(FilterOut)신호를 저역통과 필터링한 신호가 되는데, 그 필터의 특성은 상기의 방법에 의해서 구한 α,β에 의해 결정되며, 이 값에 따라 기저선 성분이 재조정된다.

도 1의 상기 기저선성분재조정부(120)에서 α=1 이고 β=0이면, 오차(error)값은 변화가 없게 된다. 즉, 기저선 동요 신호는 일정한 값을 유지하여, 심전도 신호에는 직류 오프셋(DC offset) 신호만 있고 기저선 동요가 없는 것으로 추정된다. 실제로 심전도 신호에 기저선 동요가 없는 경우가 있을 수 있는데, 이 경우 기저선 성분(Base[n]) 값을 일정하게 유지하여 적응필터에 의한 왜곡을 막을 수 있다.

또, 강제적으로 α,β를 조정할 필요가 있는 경우가 있는데, 예를 들면 T파의 진행 중에는 저주파 성분의 왜곡을 최소화하기 위하여 α≒ 1, β≒ 0이 되게 한다. 도 1의 기저선성분재조정계수결정부(110)는 상기 심전도 신호에 포함된 T파를 검출하는 T파 검출부를 구비하고, 상기 T파 검출부에서 T파가 검출되는 경우에는 상기 계수 α를 1에 근사하고, 상기 계수 β를 0에 근사한 값으로 강제적으로 정하도록 하는 것이 바람직하다. T파를 검출하는 방법은 QRS 콤플렉스(QRS Complex)를 먼저 구하고 그 이후의 진행 신호를 T파로 보는 방법, 패턴 매칭(pattern matching)을 이용하는 방법 등 여러 가지 방법이 개발되고 있는데, 이에 관한 것은 본 발명의 영역이 아니므로 여기에서는 그 구체적인 방법의 설명은 생략한다.

상기 감산기(130)는 상기 심전도 신호에서 상기 기저선성분재조정부에서 생성한 추정된 기저선 동요 성분 신호를 감하여 상기 오차 신호 및 출력 신호를 생성한다.

도 4a 내지 도 4c는 적응 필터만을 사용하여 기저선을 제거한 심전도 신호의 실험결과를 도시한 것으로서, 2KHz로 표본화(sampling)한 것이다. 도 4a는 기저선 성분이 포함된 원래의 심전도 신호를 도시한 것이고, 도 4b는 적응필터만을 사용하여 추출한 기저선 성분 신호를 도시한 것이고, 도 4c는 도 4a에 도시된 신호에서 도 4b에 도시된 신호를 감한 신호를 도시한 것이다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 의한 심전도 신호의 기저선 동요 제거장치를 거친 심전도 신호의 실험결과를 도시한 것이다. 도 5a는 본 발명에 의해 추출한 기저선 성분 신호를 도시한 것이고, 도 5b는 도 4a에 도시된 신호에서 도 5a에 도시된 신호를 감한 신호를 도시한 것이고, 도 5c는 도 4a에 도시된 신호에서 추출한 평균값 신호를 도시한 것이다.

이때, 적응필터는 LMS 알고리듬을 사용하며, 2차의 필터로서 수렴상수는 0.002를 사용하였다. 또한, 도 5에서 T파에서의 저주파 제거/억제 방법은 생략하였으며, 상기 상수 1과 상수 2를 적당한 값으로 정하여 상기 계수 α와 상기 계수 β가 대략 0.9, 0.1 근처에서 변하는 값이 되도록 하였다.

본 발명에 의하면, 심전도 신호의 기저선 변화 폭에 따라 특성이 변하는 저역통과 필터로 적응필터에 의해 계산된 기저선 동요 신호를 처리하는 효과를 가져오게 되어 기저선 제거용 필터에 의한 왜곡을 줄일 수 있다.

또한, T파의 진행 중에는 저역 통과 필터의 특성을 극히 저주파의 신호만을 제거하도록 조정하여 진단에 중요한 저주파를 포함하고 있는 T파에서의 저주파 왜곡을 줄이는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명의 계산 방법은 간단하고 일반적으로 사용되는 적응필터를 개선한 것으로서 신호처리용 프로세서(processor)를 사용하여 실시간 처리가 가능하다.

본 발명에 있어서, 윈도우(window)를 사용한 평균값 계산 과정에서 연산량이 많아질 수 있으나, 이 때에는 직사각형 윈도우(rectangular window)를 사용하고, w(n)=1로 하면 연산량을 줄일 수 있다.

Claims (4)

1. 심전도 신호의 기저선 동요 성분을 제거하는 장치에 있어서,

   직류 신호를 입력으로 하고, 직전의 심전도 신호에서 직전의 기저선 동요 성분으로 추정된 신호를 제거한 직전의 오차 신호를 받아 필터계수를 조정하면서 추정된 기저선 성분 신호를 생성하는 적응필터;

   상기 심전도 신호를 입력으로 하여, 상기 심전도 신호의 크기의 변화의 정도에 반비례하는 계수 α와, 상기 심전도 신호의 크기의 변화의 정도에 비례하는 계수 β를 결정하는 기저선성분재조정계수결정부;

   상기 기저선성분재조정계수결정부에서 상기 계수 α와 상기 계수 β를 입력받고, 상기 적응필터에서 상기 추정된 기저선 성분을 입력받아, 직전의 심전도 신호에 대하여 기저선 동요 성분으로서 제거한 신호의 크기에 상기 계수 α를 곱한 신호와 상기 적응필터에서 생성된 추정된 기저선 성분 신호에 상기 계수 β를 곱한 신호를 더하여 추정된 기저선 동요 성분 신호를 생성하는 기저선성분재조정부;

   상기 심전도 신호에서 상기 기저선성분재조정부에서 생성한 추정된 기저선 동요 성분 신호를 감하여 상기 오차 신호 및 출력 신호를 생성하는 감산기를 포함함을 특징으로 하는 심전도 신호의 기저선 동요 제거 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 기저선성분재조정계수결정부는

   최근의 소정의 시간구간 동안의 심전도 신호의 평균값을 평균값 1, 상기 시간구간 보다 어느정도 시간 이전의 소정의 시간구간 동안의 상기 심전도 신호의 평균값을 평균값 1이라 할 때, 상기 계수 α와 상기 계수 β를 각각 식

   

   ,

   

   , 단 평균값1=평균값2 일 때 α=1, (여기서, 상수 1과 상수2는 시스템의 특성에 맞도록 조정하여 0≤α,β≤1 이 되도록 한다.)

   에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 기저선 동요 제거 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 평균값 1과 상기 평균값 2는 상기 각각의 시간구간에서 소정의 윈도우를 설정하고, 각각 식

   

   (여기에서, 2M+1은 윈도우의 길이이고, x[n]는 시간 n에서의 심전도 크기이고, w(n)는 윈도우의 크기이고, k는 평균값을 계산하고자 하는 시점이다.)

   에 의하여 구하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 기저선 동요 제거 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 기저선성분재조정계수결정부는 상기 심전도 신호에 포함된 T파를 검출하는 T파 검출부를 구비하고, 상기 T파 검출부에서 T파가 검출되는 경우에는 상기 계수 α를 1에 근사하고, 상기 계수 β를 0에 근사한 값으로 강제적으로 정하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 기저선 동요 제거 장치.

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