KR100408498B1 - 심전도신호의기저선동요를제거하는방법및그장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신체의 표면에 전극을 통하여 검출된 심전도 신호를 실시간 처리가 용이하도록 신호의 표본주파수를 낮추어 저역통과 필터로 처리한 후, 이를 다시 보간함으로써, 심전도 신호의 기저선 동요를 제거하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 그 방법은

일정한 주기로 디지탈 변환된 신호를 M배의 낮은 디지탈 변환주파수로 바꾸는 단계;, 상기 M배의 낮은 디지탈 변환주파수로 변환된 심전도 신호에서 기저선 동요성분을 검출하는 단계;, 상기 검출된 기저선 동요성분을 다시 M배의 주파수 신호로 보간하는 단계;, 상기 보간된 신호를 원신호에서 감산하여 기저선 동요잡음이 제거된 신호를 얻는 단계를 포함한다.

따라서, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 기저선 동요 성분 신호의 제거 방법 및 그 장치는 디씨메이션 과정을 통해 계산량을 줄임으로서, 간단한 하드웨어 구성만으로 실시간 처리가 가능하며, 심전도 기기에 적용할 경우, 기저선 동요가 제거된 신호를 바로 기록하거나 표시장치에 디스플레이할 수 있게 됨으로써 자동진단시 미리 기저선 동요성분 신호를 제거한 후 진단프로그램을 실행하기 때문에 진단시간을 줄일 수 있는 효과를 갖는다.

Description

심전도 신호의 기저선 동요를 제거하는 방법 및 그 장치

본 발명은 심전도 신호의 기저선 동요(Baseline draft)를 제거하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신체의 표면에 전극을 통하여 검출된 심전도 신호를 실시간 처리가 용이하도록 신호의 표본주파수를 낮추어 저역통과 필터로 처리한 후, 이를 다시 보간함으로써, 심전도 신호의 기저선 동요를 제거하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

심전도 신호는 일정한 주기로 디지탈 변환되어 디지탈 처리장치에 입력되고 적절한 디지탈 처리를 거쳐 보정된 후, 기록장치에 기록되거나 진단프로그램에 의해 심장의 상태를 진단하기 위해 사용되는 신호이다.

디지탈로 변환된 심전도 신호는 여러 가지 성분으로 구성되는데, 그 주된 신호는 기저선 동요(Baseline draft)잡음과 전원잡음 및 고주파근잡음 등의 잡음성분과 심장의 특성을 나타내는 심전도 신호로 이루어진다.

여기서, 기저선 동요 잡음은 환자의 호흡 등에 의해 발생하는 극히 저주파의 신호로서, 0 헤르츠 내지 수십 헤르츠의 성분으로 나타난다.

이 기저선 동요 잡음에 의해 심전도 신호의 크기는 상하로 동요를 일으키는 저주파 성분과 함께 나타나게 되어 자동진단이나 기록, 또는 의사가 진단을 판독할 때 불편함을 준다.

종래에는 이러한 기저선 동요 신호를 제거하기 위해 심전도 신호의 QRS 온-셋 점을 검출하여 이를 기저선의 기준으로 선택하는 방법을 사용하였다. 그러나 이러한 방법을 사용할 경우, QRS 온-셋점을 검출하는 계산과정이 복잡하고 계산량이 많아지기 때문에 실시간 처리가 어렵고, 정확한 QRS 온-셋 점을 검출하기가 어려운 문제가 있었다.

또한, 계산과정이 비교적 간단하면서도 정확한 주파수 특성을 정의할 수 있는 방법이 저역통과 디지탈 필터를 사용하는 것인데, 이는 무한 임펄스 응답필터(IIR 필터)를 사용할 경우 선형 위상이 보장되지 않아 신호의 위상차이를 가져오기 때문에 심전도 신호를 처리하기에는 문제가 있었다.

따라서, 선형 위상특성을 갖는 유한 임펄스 응답필터(FIR필터)를 사용하는 것이 타당한데, 이 유한 임펄스 응답필터를 사용할 경우에는 필터의 응답 길이가 늘어나게 되고, 특히 기저선 동요신호는 2헤르츠 이내의 극저주파 신호가 대부분인데 이러한 신호를 검출하기 위한 유한 임펄스 응답 필터의 임펄스 응답길이는 거의 실시간 처리가 불가능할 정도로 길어지는 문제가 있다.

또한 일반적인 저역통과 필터를 사용할 경우, 2헤르츠 이상의 신호성분에는 영향을 미치지 않게 되므로 차단주파수 근처에서의 필터 특성이 좋지 않으면 심전도의 저주파 영역신호에 왜곡을 주게 되며, 필터의 특성을 좋게 할 경우에는 저주파 신호의 특성이 좋아야 하고 상대적으로 샘플링 주기도 높으므로 계산량이 많아져서 실시간 구현에 어려움이 발생한다.

결국, 임펄스 응답 길이를 줄이면서 2헤르츠 이상의 신호에 영향을 주지 않으면서 저주파 성분을 제거할 수 있는 방법이 필요하게 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 실시간 처리가 용이하도록 신호의 표본주파수를 낮추어 저역통과필터로 처리하고 다시 이를 보간하여 심전도 신호의 기저선 동요신호를 제거하는 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하는 본 발명에 따른 심전도 신호의 기저선 신호를 제거하는 방법은

일정한 주기로 변환된 신호를 M배의 낮은 변환주파수로 바꾸는 단계;

상기 M배의 낮은 디지탈 변환주파수로 변환된 심전도 신호에서 기저선 동요성분을 검출하는 단계;

상기 검출된 기저선 동요성분을 다시 M배의 주파수 신호로 보간하는 단계; 및

상기 보간된 신호를 원신호에서 감산하여 기저선 동요잡음이 제거된 신호를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기의 목적을 달성하는 본 발명에 따른 심전도 신호의 기저선 신호를 제거하는 장치는

증폭된 입력신호를 디지털 변환하고, 디지털 변환된 입력신호를 소정의 샘플링주기로 샘플링한 다음 저장하는 제1기억장치;

상기 제1기억장치로부터 출력되는 신호의 기저선 동요성분에 나타나는 고주파 성분을 제거하고, 샘플링 주기를 낮추는 제1 저역통과필터 및 디씨메이션부;

상기 디씨메이션부로부터 출력된 신호를 저장하는 제2기억장치;

상기 제2기억장치에 기억된 신호에서 기저선 동요성분의 신호만을 검출하는 제2저역통과필터;

상기 제2저역통과필터로부터 처리된 낮은 샘플링 주기의 기저선 동요성분의 신호를 저장하는 제3기억장치;

상기 제3기억장치로부터 출력된 낮은 샘플링 주기의 신호를 보간하는 보간장치; 및

상기 보간장치로부터 출력된 보간된 신호를 상기 제1기억장치에 저장된 원신호에서 감산하여 기저선 동요잡음이 제거된 신호를 출력하는 감산장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 보간 장치는 선형보간법을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 저역통과필터들, 보간장치 및 감산장치를 디지탈 신호처리용 프로세서로 실현하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 기억장치들은 상기 프로세서에 연결된 메모리를 사용하여 소프트웨어로 처리하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 심전도 신호의 기저선 동요성분을 제거하기 위한 장치를 나타낸 블록 구성도이다.

제1도에 도시된 장치의 구성은 입력된 심전도 신호를 증폭하는 증폭부(100), 증폭부(100)로부터 증폭된 신호를 디지탈 변환하는 디지탈 변환부(110), 디지탈 변환부(110)로부터 출력된 원신호를 일정한 주기의 표본주파수로 표본화된 신호를 저장하는 제1기억장치(120), 제1기억장치(120)로부터 기저선 동요성분에 나타나는 고주파 성분을 제거하는 제1저역통과 필터 및 샘플링주파수의 주기를 낮추는 디씨메이션부(130), 상기 제1저역통과필터 및 디씨메이션부(130)로부터 출력된 고주파 성분이 제거되고 샘플링 주파수의 주기가 낮춰진 신호를 저장하는 제2기억장치(140), 제2기억장치(140)에 기억된 신호에서 기저선 동요 성분의 신호만을 검출하는 제2저역통과 필터(150), 제2저역통과 필터(150)로부터 처리된 낮은 샘플링 주기의 기저선 동요신호의 성분을 저장하는 제3기억장치(160), 제3기억장치(160)로부터 낮은 샘플링 주기의 신호를 보간하는 보간장치(170), 보간장치(170)로부터 출력된 보간신호와 제1기억장치(120)에 기억된 원신호를 감산하여 기저선 성분이 제거된 신호를 출력하는 감산장치(180)로 이루어진다.

제1도에 도시된 A부분의 제1저역통과 필터 및 디씨메이션부(130), 제2저역통과 필터(150), 보간장치(170) 및 감산장치(180)는 실제의 하드웨어 구성에 있어서, 디지탈 신호처리용 프로세서 한 개로 실현이 가능하고, 제1도에 도시된 B부분의 제1기억장치(120), 제2기억장치(140) 및 제3기억장치(160)는 디지탈 신호처리용 프로세서에 연결된 메모리를 사용하면 간단한 소프트웨어로 처리할 수 있다.

이어서, 제1도에 도시된 장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

설명의 편의를 위해 기저선 동요성분을 포함하면서 500 헤르츠로 표본화된 신호를 이용하여 설명하며, 특히 성능의 검증을 위해 보인 모의 실험은 심전도 신호의 유럽 표준인 CSE에서 제공한 신호를 사용한다.

일정한 주기의 표본주파수로 표본화된 디지탈 데이터가 있을 때, 이 신호는 표본주파수를 2로 나눈 값 이상의 주파수 성분은 포함할 수 없게 되며, 이 신호를 다시 M배로 샘플링 주파수를 낮춰 다운 샘플링하게 되면 디지탈로 표현된 주파수 상에서 볼 때, M배로 퍼지는 것처럼 보이게 된다. 첨부한 제2도와 제3도는 이를 설명하기 위한 그래프이다.

제2도는 표본주파수를 500헤르츠로 할 경우, 신호의 주파수 성분을 가상하여 디지탈 영역에서 대략적으로 그린 그래프로서, 표본화에 의해 표본 주파수를 주기로 반복적인 주파수 분포를 보이고 있다.

제3도는 표본주파수로 표본화된 제2도의 원신호를 20배로 다운 샘플링한 신호의 주파수 성분을 보이는 그래프로서, 기저선 동요성분이 발생하여 원래 신호가 왜곡될 것이라는 것을 알 수 있다.

이러한 왜곡 성분을 줄이기 위해서는 왜곡을 일으키는 신호를 제거해야 하는데 제3도를 통해 보면 20배로 낮춰진 새로운 샘플링 주파수 근처의 성분이 왜곡을 일으키는 것을 알 수 있으며, 이 신호를 제거하면 기저선 동요 성분의 신호는 왜곡없이 복구될 수 있다.

이를 위해 약 22헤르츠 이상의 신호를 제거하는 저역통과 필터를 사용한다.

제4도는 이러한 특성을 갖는 저역 통과 필터의 일례를 보이는 그래프로서, 본 발명의 일실시예에서 사용하는 CSE 데이터 베이스 신호에 대해서 본다면 α는 약 5헤르츠이고, β는 약 22헤르츠를 사용하면 된다. 기저선 동요를 제거하기 위해 2헤르츠 이상의 신호만을 통과시키는 고역통과 필터를 사용하는 경우와 비교하여 볼 때, 제4도에 나타난 그래프를 얻기 위한 필터는 차단영역의 주파수 특성이 급격히 변하지 않고 차단주파수도 기저선 동요의 성분보다 훨씬 고주파 성분이기 때문에 임펄스 응답의 길이가 길지 않으므로 실시간 처리가 용이하다.

제5도는 제4도에서 설명한 저역통과필터로 처리를 거쳤을 때, 출력된 신호의 주파수 특성을 보이는 그래프로서, 이 신호는 제2기억장치(140)에 저장된다.

여기서 보면 기저선 동요 성분의 주파수 대역에는 어라이징(Aliasing)이 발생하지 않고 있기 때문에 기저선 동요 성분은 그 특성이 유지되고 있으나 고주파 성분으로 갈수록 어라이징(Aliasing)이 심하게 발생하여 신호의 왜곡이 발생함을 알 수 있다.

이 신호에 대해서 기저선 신호의 성분만을 남기고 고주파 성분을 제거하기 위해 저역통과 필터로 처리하게 되면, 왜곡없이 기저선 동요성분만 출력해 낼 수 있으며 이 때 사용되는 저역 통과 필터는 그 특성이 좋아야만 하지만 신호의 샘플링 주기가 낮기 때문에 필터의 임펄스 응답 길이가 길지 않고 실시간 처리가 용이하게 된다.

제6도는 낮은 샘플링 주기하에서 기저선 동요 성분을 제거하기 위한 이상적인 저역 통과 필터의 특성을 보이는 그래프이며, 제7도는 제5도에 도시된 신호를제6도에 도시된 신호의 필터 특성을 근사적으로 구현한 실제 필터로 처리된 결과의 주파수 분포를 나타낸 그래프이다. 여기까지 처리된 신호의 결과는 제3기억장치(160)에 저장된다.

한편 심전도 신호의 성분은 대부분 30헤르츠 이내에 분포하기 때문에 제4도에 보인 특성을 출력하는 필터를 사용하지 않고 디씨메이션 과정을 거쳐도 무방할 경우가 있는데, 이럴 경우, 계산량은 더욱 줄어들게 된다.

제3기억장치(160)에 저장된 신호는 보간장치(170)을 통해 원래의 표본주파수로 전환되어 제1기억장치(120)에 저장된 원신호에서 감산하게 된다.

먼저 제3기억장치(160)에 저장된 신호는 원래의 표본 주파수가 25헤르츠일 때의 저주파 성분의 신호이므로 이를 다시 원래의 표본 주파수인 500헤르츠로 바꾸는 보간(Interpolation)과정을 거친다.

이 때 사용되는 보간방법으로는 제로 패딩(Zero padding)후 저역통과 필터를 통과시키는 방법, 큐빅 스플라인(Cubic spline)방법 또는 선형 보간 방법이 있는데, 심전도 신호의 기저선 동요 신호의 경우에는 실험적으로 간단한 선형보간 방법을 사용한다.

제8도는 선형보간 방법을 이용한 함수를 계산하기 위한 그래프이다.

제8도에 보인 선형보간 방법은 두 점 사이를 직선으로 연결하는 방법으로서, 간단한 연산에 의해 두 점 사이에 다운 샘플링 비율인 M개의 데이터를 삽입하여 원래의 샘플링 비율로 쉽게 보간할 수 있다.

제8도에 도시된 X축 X[0]와 X[1]사이에 M개의 데이터를 삽입하여 보간할 때사용되는 식이 f(x)이다.

상기의 식에서 계산된 f(x)를 이용하여 X[0]와 X[1]사이의 값이 정의되며 그 값이 두 신호 사이에 보간된 신호로서 사용된다. 보간된 신호는 기저선 성분이므로 원래의 신호에서 감산하면 기저선 동요성분을 제거한 신호를 얻을 수 있게 된다.

제9도는 500헤르츠의 CSE 데이터 베이스 신호의 일례와 20헤르츠의 기저선 신호를 500헤르츠로 보간한 신호와 최종처리된 신호를 나타낸 그래프로서, A는 원신호, B는 기저선 성분을 보간 처리한 신호 및 C는 최종처리된 신호를 나타낸다.

여기서, 기저선이 제거된 신호(C)는 심전도 신호의 파형을 유지하고 있으며 기저선 동요가 제거되어 상하의 동요가 없이 나타남을 볼 수 있다. 한편 원신호(A)에는 60헤르츠 전원 잡음이 포함되어 있으나 처리된 신호에서는 편의상 60헤르츠 전원까지 적응필터를 사용하여 제거하였으나 전원잡음을 제거하는 방법은 본 발명과 무관하므로 설명을 생략한다.

제10도는 본 발명에 따른 심전도 신호의 기저선 신호를 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

일정한 주기로 디지탈 변환된 신호의 고주파 성분을 제거하고 M배의 낮은 디지탈 변환주파수로 바꾼다.(100단계)

100단계로부터 M배의 낮은 디지탈 변환주파수로 변환된 심전도 신호에서 기저선 신호를 검출한다.(110단계)

상기 110단계로부터 검출된 기저선 신호를 다시 M배의 주파수로 보간한다. (120단계)

120단계로부터 보간된 기저선 신호를 원래의 신호에서 감산하여 기저선 동요잡음이 제거된 신호를 얻는다. (130단계)

제11도는 제9도에 도시된 원신호를 1차 저역통과 필터로 처리한 후 20헤르츠로 샘플링한 신호에서 기저선 성분만을 2차 저역통과 필터로 처리한 신호를 보이는 그래프이다.

여기서, 원신호는 어라이징(Aliasing)을 막는 제1저역통과 필터로 처리되어 고주파 성분을 제거되고, 20배수로 디씨메이션과정을 거친 신호(A)가 된다. 이 신호(A)는 제2기억장치에 저장되며, 제2기억장치에 저장된 신호(A)에서 기저선 성분만을 추출하여 제3기억장치에 저장된 신호(B)를 보인다. 이 신호(B)는 디씨메이션 과정에 의해 신호의 왜곡이 발생하였으나 기저선 성분의 신호는 어라이징 없이 원신호의 모양이 유지되는 것을 볼 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 기저선 동요 성분 신호의 제거 방법 및 그 장치는 디씨메이션 과정을 통해 계산량을 줄임으로서, 기저선 동요성분이 있는 저주파 영역에서는 어라이징이 발생하지 않도록 필터링을 취하여 기저선 동요의 성분에 왜곡이 발생하지 않으면서 낮은 샘플링 주기의 신호를 만들어 낸다. 이 신호에 기저선 동요성분만을 취하는 필터를 통과시켜 기저선 동요성분을 구하는데, 이 과정에 사용된 필터는 낮은 샘플링 주기의 신호이기 때문에 필터의 응답이 줄어들고 단위 시간당 샘플의 수도 줄어 들었으므로 계산량이 적어져서 디지탈 신호처리기기등을 이용할 경우 간단한 하드웨어 구성만으로 실시간 처리가 가능해지는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명을 심전도 기기에 적용할 경우, 기저선 동요가 제거된 신호를 바로 기록하거나 표시장치에 디스플레이할 수 있게 됨으로써 자동진단시 미리 기저선 동요성분 신호를 제거한 후 진단프로그램을 실행하기 때문에 진단시간을 줄일 수 있는 효과를 갖는다.

제1도는 본 발명에 따른 심전도 신호의 처리장치를 나타낸 블록 구성도이다.

제2도는 500헤르츠로 샘플링한 심전도 신호의 가상주파수를 나타낸 그래프이다.

제3도는 제2도에 나타낸 신호를 20헤르츠로 낮추어 샘플링할 경우의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.

제4도는 저역통과 필터의 특성을 보이는 그래프이다.

제5도는 제2도에 도시된 신호를 저역통과 필터로 처리한 후 20헤르츠로 낮추어 샘플링한 신호의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.

제6도는 제5도에 도시된 신호의 기저선 동요성분을 제거하기 위해 사용된 이상적인 저역통과필터의 특성을 나타낸 그래프이다.

제7도는 제8도에 나타낸 신호에서 기저선 동요 성분만을 남긴 신호의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.

제8도는 선형보간법에 의한 함수를 계산하기 위한 그래프이다.

제9도는 500헤르츠의 CSE 데이터 베이스 신호의 일례와 20헤르츠의 기저선 신호를 500헤르츠로 보간한 신호와 최종적으로 처리된 신호를 나타낸 그래프이다.

제10도는 본 발명에 따른 심전도 신호의 기저선 신호를 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

제11도는 제9도에 나타낸 원신호를 저역통과 필터로 처리한 후 20헤르츠로 샘플링한 신호에서 기저선 동요성분만을 저역 통과 필터로 처리한 신호를 나타낸 그래프이다.

Claims (5)

1. 심전도 신호의 기저선 신호를 제거하는 방법에 있어서,

   일정한 주기로 디지털 변환된 신호를 M배의 낮은 디지털 변환주파수로 바꾸는 단계;

   상기 M배의 낮은 디지털 변환주파수로 변환된 심전도 신호에서 기저선 동요성분을 검출하는 단계;

   상기 검출된 기저선 동요성분을 다시 M배의 주파수 신호로 보간하는 단계; 및

   상기 보간된 신호를 원신호에서 감산하여 기저선 동요잡음이 제거된 신호를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 기저선 신호를 제거하는 방법.
2. 심전도 신호의 기저선 신호를 제거하는 장치에 있어서,

   증폭된 입력신호를 디지털 변환하고, 디지털 변환된 입력신호를 소정의 샘플링주기로 샘플링한 다음 저장하는 제1기억장치;

   상기 제1기억장치로부터 출력되는 신호의 기저선 동요성분에 나타나는 고주파 성분을 제거하고, 샘플링 주기를 낮추는 제1 저역통과필터 및 디씨메이션부;

   상기 디씨메이션부로부터 출력된 신호를 저장하는 제2기억장치;

   상기 제2기억장치에 기억된 신호에서 기저선 동요성분의 신호만을 검출하는제2저역통과필터;

   상기 제2저역통과필터로부터 처리된 낮은 샘플링 주기의 기저선 동요성분의 신호를 저장하는 제3기억장치;

   상기 제3기억장치로부터 출력된 낮은 샘플링 주기의 신호를 보간하는 보간장치; 및

   상기 보간장치로부터 출력된 보간된 신호를 상기 제1기억장치에 저장된 원신호에서 감산하여 기저선 동요잡음이 제거된 신호를 출력하는 감산장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 기저선 신호를 제거하는 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 보간장치는 선형보간법을 사용하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 기저선 신호를 제거하는 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2저역통과필터들, 보간장치 및 감산장치를 디지털 신호처리용 프로세서로 실현하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 기저선 신호를 제거하는 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1 내지 제3기억장치들은 상기 프로세서에 연결된 메모리를 사용하여 소프트웨어로 처리하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 기저선 신호를 제거하는 장치.