KR100866547B1 - A EEG apparatus with ECG Artifact elimination device and the method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 심전도 잡음 제거 수단을 구비하는 뇌전도 검사 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 두피 뇌전도에 섞여 있는 심전도를 최소 제곱 가속 기반의 적응 디지털 필터를 이용하여 추정하여 상기 뇌전도에서 제거하는 심전도 잡음 제거 수단을 구비하는 뇌전도 검사 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electroencephalogram test apparatus and method including an electrocardiogram noise removing means, and more specifically, to remove the electrocardiogram noise which is removed from the electroencephalogram by estimating the electrocardiogram mixed in the scalp electroencephalogram using an adaptive digital filter based on least square acceleration. An electroencephalogram test apparatus and method comprising means.
본 발명은 전극부로부터 검출된 뇌전도 신호를 증폭하고 필터링하여 디지털신호로 변환하는 신호검출부, 상기 신호검출부로 부터 수신된 신호를 연산처리하는 연산처리부를 적어도 구비하는 심전도 제거 수단을 구비한 뇌전도 검사 장치에서 뇌전도에 포함된 심전도 제거 방법에 있어서, 상기 신호검출부로부터 심전도 신호가 포함된 뇌전도 신호를 수신하는 신호입력단계; 상기 신호입력단계로부터 출력된 신호를 최소 제곱 가속 필터(220)에서 필터링하는 최소 제곱 가속 필터링단계; 상기 최소 제곱 가속 필터링단계의 출력신호를 위상 공간방법과 심박간격 기반으로 R파를 검출하는 R파 추정단계; 상기 R파 추정단계에서 검출된 R파에 동기된 임펄스 신호를 생성하는 임펄스 출력단계; 상기 신호입력단계의 출력신호을 입력신호로 하고, 상기 임펄스 출력단계의 출력신호를 레퍼런스 신호로 하여, 적응 임펄스 상관 필터로 필터링 하는 적응 임펄스 상관 필터링단계; 를 구비하는 것을 특징으로 한다.The present invention provides an electroencephalogram test apparatus including an electrocardiogram removal means including at least a signal detector for amplifying, filtering, and converting an electroencephalogram signal detected from an electrode unit into a digital signal, and an arithmetic processing unit for calculating and processing a signal received from the signal detector. An electrocardiogram removal method included in an electroencephalogram (EKG), the method comprising: a signal input step of receiving an electrocardiogram signal including an electrocardiogram signal from the signal detector; A least squares acceleration filtering step of filtering the signal output from the signal input step by the least squares acceleration filter 220; An R wave estimating step of detecting an R wave based on a phase space method and a heartbeat interval of the output signal of the least square acceleration filtering step; An impulse output step of generating an impulse signal synchronized with the R wave detected in the R wave estimating step; An adaptive impulse correlation filtering step of filtering by an adaptive impulse correlation filter using the output signal of the signal input step as an input signal and the output signal of the impulse output step as a reference signal; Characterized in having a.
뇌전도, 심전도, 최소 제곱 가속 필터, 적응 임펄스 상관 필터, R파 ECG, ECG, least squares acceleration filter, adaptive impulse correlation filter, R wave
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 심전도 잡음 제거 수단을 구비한 뇌전도 검사 장치의 구성을 개략적으로 설명한 설명도이다.1 is an explanatory diagram schematically illustrating a configuration of an electroencephalogram test apparatus including an electrocardiogram noise removing unit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 연산처리부의 전반적인 흐름을 설명하기 위한 설명도이다.FIG. 2 is an explanatory diagram for describing an overall flow of the arithmetic processing unit of FIG. 1.
도 3은 도 1의 R파 추정부의 최소 제곱 가속 필터의 흐름도이다.3 is a flowchart of a least squares acceleration filter of the R-wave estimator of FIG. 1.
도 4는 도 1의 R파 추정부의 R파 검출부의 개략적인 흐름도이다. 4 is a schematic flowchart of an R-wave detector of the R-wave estimator of FIG. 1.
도 5는 도 1의 R파 추정부의 전반적인 흐름도이다.5 is a general flowchart of an R wave estimator of FIG. 1.
도 6은 도 1의 적응 임펄스 상관 필터의 개략적인 흐름도이다.6 is a schematic flowchart of the adaptive impulse correlation filter of FIG. 1.
도 7은 동시에 측정된 뇌전도 신호 및 심전도 신호의 일예이다.7 is an example of an electrocardiogram signal and an electrocardiogram signal simultaneously measured.
도 8은 도 1의 최소 제곱 가속 필터에서 출력된 뇌전도의 일예이다. FIG. 8 is an example of an electroencephalogram output from the least squares acceleration filter of FIG. 1.
도 9는 도 1의 R파 추정부의 출력결과의 일예이다.9 is an example of an output result of the R-wave estimator of FIG. 1.
본 발명은 심전도 잡음 제거 수단을 구비하는 뇌전도 검사 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 두피 뇌전도에 섞여 있는 심전도를 최소 제곱 가속 기 반의 적응 디지털 필터를 이용하여 추정하여 상기 뇌전도에서 제거하는 심전도 잡음 제거 수단을 구비하는 뇌전도 검사 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electroencephalogram test apparatus and method including an electrocardiogram noise removing means, and more particularly, to remove the electrocardiogram noise that is estimated from the electrocardiogram mixed with the scalp electroencephalogram by using an adaptive digital filter based on least squares acceleration. An electroencephalogram test apparatus and method comprising means.
뇌전도 검사에 있어서, 비침습적으로 대뇌기능을 측정 평가한 것은 간질 등의 뇌질환뿐만 아니라 수면의학 분야들에 있어서 중요하다.In electroencephalogram, non-invasive measurement and evaluation of cerebral function is important not only in brain diseases such as epilepsy but also in sleep medicine.
뇌전도 검사는 그 목적에 따라 병원 또는 연구소의 검사실에서 측정이 이루어지지만, 최근에는 여러 가지 장점 및 필요성으로 인해 이동형(ambulatory) 또는 휴대형(portable) 뇌전도 검사에 대한 수요가 증가하고 있다.Electroencephalogram tests are performed in laboratories in hospitals or laboratories according to their purpose, but recently, there is an increasing demand for ambulatory or portable electroencephalogram tests due to various advantages and needs.
뇌전도 신호의 주파수 영역 분석은 시간 영역 분석과 함께 표준적인 뇌전도 분석 방법 중의 하나로 뇌전도 신호의 주파수를 여러 대역으로 분류하는 것을 기본으로 한다. 하지만 뇌전도 신호에 잡음이 포함된 경우, 특히 뇌전도 신호와 잡음의 주파수 성분이 중첩되는 경우에는 뇌전도 신호의 정확한 주파수 분석이 어렵게 된다. 뇌전도 측정 시, 전극을 통해 유입되는 신호는 뇌전도 뿐만 아니라 근전도, 안전도, 심전도 등의 각종 잡음이 포함되어 있으며, 이러한 잡음은 뇌전도 신호에 지속적으로 왜곡을 발생시켜 분석의 오류를 증가시키는 원인이 된다. 특히 심전도 잡음은 심장의 전기장(electrical field)이 신체를 통해 전파되어 두피에서 측정되는 뇌전도 신호에 영향을 주는 것으로 주기적이고 크기가 큰 특징이 있다.The frequency domain analysis of the EEG signal is one of the standard EEG analysis methods along with the time domain analysis, and is based on classifying the frequency of the EEG signal into several bands. However, when the EEG signal includes noise, particularly when the frequency components of the EEG signal and the noise overlap, it is difficult to accurately analyze the EEG signal. In electroencephalogram measurement, the signal flowing through the electrode contains not only the electroencephalogram but also various noises such as EMG, safety, electrocardiogram, etc., and this noise causes distortion in the electroencephalogram signal and increases the error of analysis. . In particular, ECG noise is a periodic and large feature that affects the electroencephalogram signal measured in the scalp by the electrical field of the heart propagates through the body.
뇌전도 신호에 포함된 심전도 잡음을 제거하기 위하여 여러 연구가 진행되었다. 나카무라(Nakamura) 등은 뇌전도 신호의 비정상성(non-stationarity)을 가정하여 앙상블 평균(ensemble average)에 기초한 심전도 잡음 제거 방법을 제안하였다. 이 방법에서는 뇌전도와 동시에 측정된 심전도에 뇌전도 신호를 동기화하여 뇌 전도 신호를 분할하였다. 그리고 분할된 전체 구간에 대한 앙상블 평균을 계산하여 뇌전도 신호에 포함된 심전도의 모양을 추출하고 이를 심전도의 R 파(R-wave)에 동기화하여 뇌전도 신호에서 빼주었다. Several studies have been conducted to remove ECG noise included in EEG signals. Nakamura et al. Proposed a method for removing ECG noise based on an ensemble average assuming non-stationarity of an EEG signal. In this method, the brain conduction signal is divided by synchronizing the electroencephalogram signal to the electrocardiogram measured simultaneously with the electroencephalogram. And we calculated the ensemble mean for the whole divided section, and extracted the shape of ECG included in the EEG signal, and synchronized it to the R-wave of the EKG and subtracted it from the EEG signal.
나카무라 등에 의한 방법 이외에도 독립 성분 분석(independent component analysis, ICA) 등을 이용한 방법들이 제안되기도 하였다. In addition to Nakamura's method, methods using independent component analysis (ICA) have been proposed.
독립 성분 분석에서는 심전도 잡음이 포함된 복수 채널의 뇌전도 신호를 독립 성분으로 분리하고 심전도를 제거하였다.In the independent component analysis, the ECG signals of the multiple channels including ECG noise were separated into independent components and ECGs were removed.
뇌전도 신호에 포함된 심전도 잡음을 제거하기 위한 기존의 방법들은 심전도 잡음의 정보를 알기 위해서 심전도를 동시에 측정하거나, 또는 심전도 잡음이 포함된 복수 채널의 뇌전도를 동시에 사용하여 심전도 잡음을 제거하였다. 하지만 이러한 방법들은 다수의 생체신호를 사용하기 때문에 저장용량과 처리능력에 한계가 있는 이동형 또는 휴대형 뇌전도 검사 장치에서 단점으로 작용 된다.Conventional methods for removing ECG noise included in an EKG signal have been performed by simultaneously measuring electrocardiograms or using multiple channels of electrocardiograms including ECG noise. However, these methods are disadvantageous in mobile or portable electroencephalography devices that have limited storage capacity and processing capacity because they use multiple biosignals.
따라서 본 발명에서는 실시간으로 처리가 가능하며 단일 채널 뇌전도에 포함된 심전도 잡음을 검출하는 심전도 잡음 제거 수단을 구비하는 뇌전도 검사 장치 및 방법을 제공한다. 따라서 본 발명의 심전도 잡음 제거 수단은 이동형 또는 휴대형 뇌전도 검사 장치에 적용가능하다.Accordingly, the present invention provides an electroencephalogram test apparatus and method capable of processing in real time and including electrocardiogram noise removing means for detecting electrocardiogram noise included in a single channel electroencephalogram. Therefore, the electrocardiogram noise removing means of the present invention is applicable to a mobile or portable electroencephalogram test apparatus.
또한 본 발명은 두피 뇌전도에 섞여 있는 심전도를 최소 제곱 가속 기반의 적응 디지털 필터를 이용하여 추정하여 상기 뇌전도에서 상기 심전도를 효과적으로 제거하는 하는 심전도 잡음 제거 수단을 구비하는 뇌전도 검사 장치 및 방법을 제공한다.The present invention also provides an electroencephalogram test apparatus and method including an electrocardiogram noise removing means for effectively removing the electrocardiogram from the electroencephalogram by estimating the electrocardiogram mixed with the scalp electroencephalogram using a least square acceleration-based adaptive digital filter.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 두피 뇌전도에 섞여 있는 심전도를 최소 제곱 가속 기반의 적응 디지털 필터를 이용하여 추정하여 뇌전도에서 제거하는 심전도 잡음 제거 수단을 구비하는 뇌전도 검사 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an electroencephalogram test apparatus and method including an electrocardiogram noise removing means for estimating electrocardiogram mixed with scalp electroencephalogram using an adaptive digital filter based on least square acceleration, and removing the electrocardiogram noise.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 실시간으로 처리가 가능하며, 단일 채널 뇌전도에 포함된 심전도 잡음을 검출하고 포함된 심전도 잡음을 제거하여, 이동형 또는 휴대형 뇌전도 검사 장치에서 사용할 수 있는 심전도 잡음 제거 수단을 구비하는 뇌전도 검사 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be achieved by the present invention can be processed in real time, by detecting the electrocardiogram noise included in the single-channel electrocardiogram and remove the included electrocardiogram noise, ECG noise removal means that can be used in a mobile or portable ECG test device It is to provide an electroencephalogram test apparatus and method having a.
이하 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 심전도 잡음 제거 수단을 구비한 뇌전도 검사 장치 및 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, an electroencephalogram test apparatus and method including an electrocardiogram noise removing unit according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 심전도 잡음 제거 수단을 구비한 뇌전도 검사 장치의 구성을 개략적으로 설명한 설명도이다.1 is an explanatory diagram schematically illustrating a configuration of an electroencephalogram test apparatus including an electrocardiogram noise removing unit according to an exemplary embodiment of the present invention.
뇌전도 검사 장치(10)은 전극부(100), 증폭부(130), 필터부(170), A/D 변환부(190), 연산처리부(200), 메모리부(300), 배터리부(350), 출력부(330)를 구비한다.The
전극부(100)는 두피로부터 뇌전도를 검출하는 전극들로 이루어진다. 전극부(100)는 입력전극, 기준전극, 접지전극의 3개의 전극을 구비한다. 여기서 입력전극은 신호를 측정하고자 하는 머리부위에 부착하며, 기준 전극은 오른쪽 귓불 또는 왼쪽 귓불에 부착하며, 접지 전극은 신체의 움직임이 없는 부위에 붙이는데, 예를들어, 이마나 귀뒤, 목뒤 등에 부착할 수 있다.The
증폭부(130)는 전극부(100)의 출력신호를 수신하여 증폭한다.The
필터부(170)는 증폭부(130)의 출력신호로부터 잡음을 제거한다. 필터부(170)는 0.1Hz에서 40Hz의 밴드패스 필터(bandpass filter)를 사용할 수 있다.The
A/D 변환부(190)는 필터부(170)의 출력신호를 디지탈신호로 변환한다.The A /
연산처리부(200)는 A/D 변환부(190)의 출력신호인 뇌전도 신호로부터 심전도신호의 심전도 신호를 검출하고 이 검출된 심전도 신호를 상기 뇌전도 신호로부터 제거한다. 연산처리부(200)는 R파 추정부(210)과 심전도 추정 및 제거부(260)을 구비한다.The
R파 추정부(210)는 A/D 변환부(190)로부터 출력된 신호로부터 스파이크(spike) 형태의 R파를 부각시켜 R파를 검출하고 이로부터 R파와 동기화 된 임펄스(impulse)를 검출한다. R파 추정부(210)는 최소 제곱 가속(least squares acceleration, LSA) 필터(220), R파 검출부(230)로 이루어진다. 즉, R파 추정부(210)는 최소 제곱 가속 필터(220)를 사용하여 스파이크 형태의 R파를 부각시킨다. 그 다음 R파 검출부(230)에서 위상 공간(phase space)방법과 심박간격(R-R interval) 기반으로 R파를 검출하고 이로부터 R파에 동기화 된 임펄스를 검출한다.The R-
심전도 추정 및 제거부(260)는 A/D 변환부(190)로부터 출력된 신호 및 R파 추정부(210)의 출력신호를 이용하여 심전도신호를 추정하여 제거한다. 심전도 추정 및 제거부(260)는 적응 임펄스 상관 필터(adaptive impulse correlated filter, AICF)(280)를 구비한다.The
메모리부(300)는 연산처리부(200)로부터 수신된 연산처리된 뇌전도 신호를 저장한다.The
출력부(330)는 연산처리부(200)의 출력신호를 디스플레이하며, 프린터 등으로 출력한다.The
배터리부(350)는 뇌전도 검사 장치(10)를 구동시키기 위한 배터리가 내장되어 있다.The
도 2는 도 1의 연산처리부의 전반적인 흐름을 설명하기 위한 설명도이다.FIG. 2 is an explanatory diagram for describing an overall flow of the arithmetic processing unit of FIG. 1.
신호입력단계로, A/D변환기로부터 심전도 신호가 포함된 뇌전도 신호를 수신한다(S10).In the signal input step, an electrocardiogram signal including an electrocardiogram signal is received from the A / D converter (S10).
최소 제곱 가속 필터링단계로, 최소 제곱 가속 필터(220)에서 필터링한다(S20).As a least square acceleration filtering step, the smallest
R파 검출단계로, R파 검출부(230)에서 위상 공간방법과 심박간격 기반으로 R파를 검출한다(S30).In the R-wave detection step, the R-
임펄스 출력단계로, 검출된 R파에 동기된 임펄스 신호를 출력한다(S40). 즉, R파에 동기된 부분은 1 이고 나머지는 0 인 신호들을 출력한다. In the impulse output step, an impulse signal synchronized with the detected R wave is output (S40). That is, signals synchronized with the R wave are 1 and the rest are 0.
적응 임펄스 상관 필터링 단계로, 신호입력단계(S10)의 출력신호을 입력신호로 하고, 임펄스 출력단계(S30)의 출력신호를 레퍼런스 신호로 하여, 적응 임펄스 상관 필터(280)로 필터링 한다(S50). In the adaptive impulse correlation filtering step, the output signal of the signal input step S10 is used as an input signal, and the output signal of the impulse output step S30 is used as a reference signal, and then filtered by the adaptive impulse correlation filter 280 (S50).
적응 임펄스 상관 필터(280)로부터 심전도 신호가 제거된 뇌전도 신호를 출 력한다(S60).The EKG signal from which the ECG signal is removed from the adaptive impulse correlation filter 280 is output (S60).
다음은 연산처리부(200)의 절차를 보다 상세히 설명한다.Next, the procedure of the
연산처리부(200)는 R파 추정부(210)과 심전도 추정 및 제거부(260)로 이루어지며, 그 중 R파 추정부(210)는 최소 제곱 가속 필터(220), R파 검출부(230)로 이루어진다.The
우선, R파 추정부(210)의 최소제곱가속필터(220)에 대해서 설명한다. First, the least
최소제곱가속필터(220)에 대한 설명에 앞서, 일반적인 최소 제곱 가속 필터를 설명한다.Prior to the description of the least
최소 제곱 가속 필터는 신호의 복잡성(complexity)과 크기(magnitude)가 변화하거나 잡음(noise)이 있는 상황에서 가파름(sharpness)을 정확하게 측정하기 위한 목적으로 사용되는 필터로, 또한 간단하게 FIR 필터로 표현할 수 있기 때문에 실시간으로 구현 가능하며, 잡음에 강한 장점이 있다. 즉, 최소 제곱 가속 필터는 유한 임펄스 응답(finite impulse-response, FIR) 형태의 필터로서, 이산 신호의 미분(derivative) 또는 가파름(sharpness)을 추정하기 위한 방법이다. 최소 제곱 가속 필터는 이미 공지된 기술로 여기서는 개략적으로 설명하기로 한다.Least Squares Acceleration Filters are filters that are used to accurately measure sharpness in situations where signal complexity and magnitude change or noise is present. Because it can be implemented in real time, it has a strong advantage in noise. That is, the least square acceleration filter is a filter in the form of a finite impulse-response (FIR) and is a method for estimating the derivative or sharpness of a discrete signal. Least squares acceleration filters are well known and will be described schematically here.
최소 제곱 가속 필터는 p개의 샘플로 구성된 이산 신호를 평균 제곱 오차(mean squared error, MSE)를 최소화하는 n차 다항식으로 근사화시킨 후 이 다항식의 n계 미분을 계산한다. 이 경우 n차 다항식에 대해 n계 미분을 사용하기 때문에 복잡한 계산 없이 n차 다항식의 계수를 그대로 사용할 수 있는 장점이 있으며, 최소 제곱 가속 필터의 계수는 닫힌 형식(closed form)으로 계산된다. 2계 미분의 경우 신호의 가속도의 추정과 같은 의미를 갖고 있으므로 최소 제곱 가속 필터라고 한다. The least squares acceleration filter approximates a discrete signal consisting of p samples to an nth order polynomial that minimizes mean squared error (MSE) and then calculates the nth derivative of the polynomial. In this case, since the n-order differential is used for the n-th order polynomial, the coefficient of the n-th order polynomial can be used as it is without complex calculation. The coefficient of the least square acceleration filter is calculated in the closed form. The second derivative is called the least square acceleration filter because it has the same meaning as the estimation of the acceleration of the signal.
시계열 신호 {(xi,yi), i=1,……,p}가 2차 다항식 P(x)=a2x2+a1x+a0에 의해 보간될 데이터라고 한다면 평균제곱오차(mean square error)인Time series signal {(x i , y i ), i = 1,... … , p} is the data to be interpolated by the second order polynomial P (x) = a 2 x 2 + a 1 x + a 0 , the mean square error
를 최소로 하는 최적의 계수 a2, a1, a0를 찾기 위해 라는 식을 이용할 수 있다. To find the best coefficients a 2 , a 1 , a 0 to minimize Can be used.
1≤i≤p, 1≤j≤3인 구간에 대해 Xij=Xi3 -j이고 Y=[y1...yp]'이다. X'는 X가 전치(transpose)되었음을 나타내고 (X'X)+는 대칭인 행렬 X'X의 무어 펜노즈 의사역행렬(Moore-Penrose pseudoinverse)을 표현한 것이다. A = X'X로 놓는다면 행렬 A의 요소들은 X ij = X i3 -j and Y = [y 1 ... y p ] 'for the
라는 식을 통해 얻어진다.It is obtained through the equation
최적의 a2 예측값을 구하기 위한 식은 행렬 A의 심볼 의사 역행렬(symbolic pseudoinverse)를 구하고 곱셈하고 단순화시켜서 얻어졌다. a2를 구하는 식이 Y에서 대해 선형적이기 때문에(예를 들어 가속 예측값을 구하는데 사용된 데이터) 이러한 예측값은 약간의 지연을 가지고 FIR 필터의 출력으로부터 얻어질 수도 있다. The equation for obtaining the optimal a 2 prediction was obtained by obtaining, multiplying, and simplifying the symbol pseudoinverse of matrix A. Since the equation for a 2 is linear for Y (e.g., the data used to obtain the acceleration prediction), this prediction may be obtained from the output of the FIR filter with some delay.
가속 예측값은Acceleration predictions are
라는 식에 의해 주어진다.Is given by
여기서 {yk, k=1,2,...}는 분석할 신호이고, p는 파라볼릭 피트(parabolic fit)에 사용되는 점들의 숫자(FIR 필터의 차수)이고, 는 Z보다 작거나 같은 최대의 상수를 나타낸다.Where {y k , k = 1,2, ...} is the signal to analyze, p is the number of points (order of FIR filter) used for the parabolic fit, Denotes the largest constant less than or equal to Z.
필터의 계수 F(p,dt)={Fj(p,dt), j=1,...,p}는 차수 p와 분석할 신호의 시간 스텝 dt에만 의존한다. p의 고정된 값에 대해 이러한 계수들은 한번만 계산될 수 있고 후에 필터에 적용하기 위해 저장된다. LSA 필터 계수는 The coefficient F (p, dt) = {Fj (p, dt), j = 1, ..., p} of the filter depends only on the order p and the time step dt of the signal to be analyzed. For a fixed value of p these coefficients can be calculated only once and stored for later application to the filter. LSA filter coefficients
라는 식으로부터 계산될 수 있다. It can be calculated from the equation
다시말해, 최소 제곱 가속 필터의 출력은 수학식 3에 의해 구하여 지는 가속 예측값이며, 상기 수학식 3에서의 필터의 계수는 수학식 4에 의해 구하여 진다.In other words, the output of the least squares acceleration filter is an acceleration prediction value obtained by equation (3), and the coefficient of the filter in equation (3) is obtained by equation (4).
여기서, p 포인트, n차 LSA 필터를 M개의 데이터에 적용한 최소 제곱 가속 필터의 절차를 설명하면 다음과 같다.Here, the procedure of the least squares acceleration filter applying the p point, n th order LSA filter to the M data is as follows.
첫째로, p와 n에 대한 함수로서 LSA 필터의 계수(a(i), i = 1, 2, ..., p)를 구한다.First, the coefficients (a (i), i = 1, 2, ..., p) of the LSA filter are obtained as functions of p and n.
둘째로, 데이터 b(k), (단, k = 1, 2, ..., M)를 읽어들인다.Second, read data b (k), (where k = 1, 2, ..., M).
세째로, LSA 필터의 출력을 구한다.Third, find the output of the LSA filter.
여기서 만약 p = 3이라면, LSA 필터의 출력은Where p = 3, the output of the LSA filter is
LSA(1) = b(1)*a(1) + b(2)*a(2) + b(3)*a(3) LSA (1) = b (1) * a (1) + b (2) * a (2) + b (3) * a (3)
LSA(2) = b(2)*a(1) + b(3)*a(2) + b(4)*a(3) LSA (2) = b (2) * a (1) + b (3) * a (2) + b (4) * a (3)
LSA(3) = b(3)*a(1) + b(4)*a(2) + b(5)*a(3) LSA (3) = b (3) * a (1) + b (4) * a (2) + b (5) * a (3)
LSA(4) = b(4)*a(1) + b(5)*a(2) + b(6)*a(3) LSA (4) = b (4) * a (1) + b (5) * a (2) + b (6) * a (3)
LSA(5) = b(5)*a(1) + b(6)*a(2) + b(7)*a(3) LSA (5) = b (5) * a (1) + b (6) * a (2) + b (7) * a (3)
. . . . . . . .
. . . . . . . .
LSA(M-2) = b(M-2)*a(1) + b(M-1)*a(2) + b(M)*a(3) LSA (M-2) = b (M-2) * a (1) + b (M-1) * a (2) + b (M) * a (3)
. . . . . . . .
. . . . . . . .
넷째로, 이렇게 구해진 LSA 필터의 출력, 즉, LSA(1), LSA(2), ..., LSA(M-2), ..., ...를 나열하면, 데이터 b(k)의 LSA 필터 출력이 된다.Fourth, listing the output of the LSA filter thus obtained, that is, LSA (1), LSA (2), ..., LSA (M-2), ..., ... LSA filter output.
도 3은 도 1의 R파 추정부의 최소 제곱 가속 필터의 흐름도이다.3 is a flowchart of a least squares acceleration filter of the R-wave estimator of FIG. 1.
도 3에서 v(n)은 심전도가 포함된 뇌전도 신호이며, u(n)은 최소 제곱 가속 필터의 출력이고, b1 ~ b9는 최소제곱가속필 필터 계수이다.In FIG. 3, v (n) is an electroencephalogram signal including an electrocardiogram, u (n) is the output of the least square acceleration filter, and b1 to b9 are the least square acceleration filter coefficients.
여기서, b1 = 0.0606, b2 = 0.0152, b3 = -0.0173, b4 = -0.0368, b5 = -0.0433, b6 = -0.0368, b7 = -0.0173, b8 = 0.0152, b9 = 0.0606 이다.Here, b1 = 0.0606, b2 = 0.0152, b3 = -0.0173, b4 = -0.0368, b5 = -0.0433, b6 = -0.0368, b7 = -0.0173, b8 = 0.0152, b9 = 0.0606.
즉, 심전도가 포함된 뇌전도 신호의 현재 샘플을 포함하여 8point 이전까지의 샘플, 총 9샘플에 위의 계수를 각각 곱한 것의 합이 현재 샘플의 최소제곱가속필터의 출력값이 된다.That is, the sum of multiplying the above coefficients by a total of 9 samples including the current sample of the electrocardiogram signal including the electrocardiogram and up to 8 points, becomes the output value of the least square acceleration filter of the current sample.
본 발명에서 최소 제곱 가속 필터의 차수는 3차, 9차 ,12차 등 임의의 차수로 할 수 있다. 본 발명에서는 설명의 편의상 3차 또는 9차 등을 사용하여 설명하였다.In the present invention, the order of the least squares acceleration filter may be any order such as 3rd, 9th, 12th order. In the present invention, the description was made using the third or ninth order for convenience of description.
다음은 R파 추정부(210)의 R파 검출부(230)에 대해서 설명한다.Next, the
R파 검출부(230)는 최소 제곱 가속 필터(220)의 출력에서 위상 공간방법과 심박간격을 이용하여 R파를 검출한다. 즉, R파 검출부(230)에서는 최소 제곱 가속 필터(220)로부터 출력된 추정된 뇌전도의 1계 미분신호에서 R 파를 검출하기 위해서 위상 공간 방법 및 심박간격을 이용한다.The R-
도 4는 도 1의 R파 추정부의 R파 검출부의 개략적인 흐름도이다. 즉, 도 4는 R파 검출부(230)에서 R파를 검출하는 절차이다.4 is a schematic flowchart of an R-wave detector of the R-wave estimator of FIG. 1. That is, FIG. 4 is a procedure of detecting the R wave in the
최소 제곱 가속 필터(220)의 출력을 수신한다(S100).The output of the least
문턱치 비교단계로, 최소 제곱 가속 필터(220)의 출력의 위상 공간에서 문턱치 (th, th) 이하인 점들을 검출하고 이를 1차 후보라고 한다(S110). 즉, 최소 제곱 가속 필터 출력의 위상 공간(x축은 필터 출력 신호, y축은 1점(point) 지연된 신호) 에서 문턱치(0, 0)이하인 점들을 검출하고 이를 1차 후보라고 한다.In the threshold comparison step, points that are less than or equal to the threshold (th, th) in the phase space of the output of the least
최소점 검출단계로, 연속적인 1차 후보에서 최소인 점을 선택하고 이를 2차 후보라고 한다(S120).As the minimum point detection step, the smallest point is selected from consecutive primary candidates, and this is called a secondary candidate (S120).
2차후보 간격 판단단계로, 2차 후보 사이의 간격을 계산하고 연속적인 5개의 2차 후보 간격 평균의 70% 이상인 점들을 선택하여 R 파를 추정한다(S130). 여기서 연속적인 5개의 2차 후보 간격 평균이란 현재 샘플의 이전 5개의 2차 후보 간격의 평균을 말한다.In the second candidate interval determination step, the interval between the secondary candidates is calculated, and R waves are estimated by selecting points that are 70% or more of the averages of five consecutive secondary candidate intervals (S130). Here, the average of five consecutive secondary candidate intervals refers to the average of the previous five secondary candidate intervals of the current sample.
R파 동기 임펄스 구성 단계로, 추정된 R 파에 동기화된 임펄스를 구성한다(S140). 즉, R파인 샘플에서 1을 출력하게 하고, R파가 아닌 다른 샘플에서는 모두 0을 출력하게 한다.As an R-wave synchronous impulse configuration step, an impulse synchronized to the estimated R wave is configured (S140). That is, it outputs 1 from the R pine sample and 0 from all the samples other than the R wave.
도 5는 도 1의 R파 추정부의 전반적인 흐름도이다. 즉, 최소 제곱 가속 필터 및 R파 검출부를 통해 R파를 추정하는 흐름도로, 도 3 및 도 4의 절차가 합해진 것이다.5 is a general flowchart of an R wave estimator of FIG. 1. That is, a flowchart of estimating the R wave through the least square acceleration filter and the R wave detector, in which the procedures of FIGS. 3 and 4 are combined.
최소 제곱 가속 필터링단계로, 9차 최소 제곱 가속 필터로 필터링 한다(S105). As a least square acceleration filtering step, the ninth order least square acceleration filter is filtered (S105).
문턱치 비교단계로, 최소 제곱 가속 필터 출력의 위상 공간(x축은 9차 최소 제곱 가속 필터 출력 신호, y축은 9차 최소 제곱 가속 필터 출력에서 1점(point) 지연된 신호)에서 문턱치(0, 0) 이하 인가를 판단하여(S115), 문턱치(0, 0) 이하이면 최소 제곱 가속 필터링단계(S105)로 되돌아간다. 즉 최소 제곱 가속 필터 출력의 위상 공간(x축은 9차 최소 제곱 가속 필터 출력 신호, y축은 9차 최소 제곱 가속 필터 출력에서 1점 지연된 신호) 에서 문턱치(0, 0) 이하인 점들을 검출하고 이를 1차 후보라고 한다.In the threshold comparison step, the threshold (0, 0) in the phase space of the least square acceleration filter output (x-axis is the ninth order least square acceleration filter output signal, y-axis is a signal delayed by one point at the ninth order least square acceleration filter output). If it is determined below (S115), if it is less than the threshold (0, 0), it returns to the least square acceleration filtering step (S105). In other words, it detects the points below the threshold (0, 0) in the phase space of the least square acceleration filter output (x-axis is the ninth-order least square acceleration filter output signal, and y-axis is one delayed signal from the ninth-order least square acceleration filter output). It is called a candidate for tea.
문턱치 비교단계에서 최소 제곱 가속 필터 출력의 위상 공간(x축은 필터 출력 신호, y축은 1점 지연된 신호)에서 문턱치(0, 0) 이하라면 검출하고 이를 1차 후보라고 한다(S120).In the threshold comparison step, if the phase space of the least square acceleration filter output (x-axis is the filter output signal, y-axis is one point delayed signal) or less than the threshold (0, 0), it is detected as a first order candidate (S120).
저장단계로, 상기 1차 후보를 저장한다(S125).In the storing step, the primary candidate is stored (S125).
최소점 선택단계로, 연속적인 1차 후보에서 최소인 점을 선택하고 이를 2차 후보라고 한다(S130). As the minimum point selecting step, the smallest point is selected from consecutive primary candidates and this is called a secondary candidate (S130).
2차후보 간격 판단단계로, 2차 후보가 이전 최소점, 즉 이전 2차 후보와의 사이의 간격을 계산하고, 이 간격이 연속적인 5개의 2차 후보 간격 평균의 70% 이상인가를 판단하여(S135), 70% 미만이라면 최소 제곱 가속 필터링단계(S105)로 되돌아간다. 즉, 2차후보 사이의 간격을 계산하고 이전 연속적인 5개의 2차 후보 간격 평균의 70% 이상인 점들을 선택하여 R 파를 추정한다.In the second candidate interval determination step, the secondary candidate calculates the interval between the previous minimum points, that is, the previous secondary candidates, and determines whether the interval is 70% or more of the average of five consecutive second candidate candidate intervals. If less than 70%, the process returns to the least square acceleration filtering step S105. In other words, the interval between the secondary candidates is calculated and the R wave is estimated by selecting the points that are 70% or more of the mean of the five consecutive candidate secondary intervals.
R파 동기 임펄스 구성 단계로, 2차후보 간격 판단단계에서, 70% 이상이라면, 추정된 R 파에 동기화된 임펄스를 구성한다(S140).As an R-wave synchronous impulse configuration step, in the second candidate interval determination step, if 70% or more, an impulse synchronized to the estimated R wave is configured (S140).
다음은 연산처리부(200)는 심전도 추정 및 제거부(260)에 대해서 설명한다.Next, the
심전도 추정 및 제거부(260)는 A/D 변환부(190)로부터 출력된 신호 및 R파 추정부(210)의 출력신호를 이용하여 심전도신호를 추정하여 제거한다. 심전도 추정 및 제거부(260)는 적응 임펄스 상관 필터(280)를 구비한다.The
따라서 여기서는 적응 임펄스 상관 필터(280)에 대해서 설명한다.Therefore, the adaptive impulse correlation filter 280 will be described here.
도 6은 도 1의 적응 임펄스 상관 필터의 개략적인 흐름도이다.6 is a schematic flowchart of the adaptive impulse correlation filter of FIG. 1.
신호입력단계로, 추정된 R 파에 동기화된 임펄스 신호(u(n))를 R파 검출부(230)로부터 수신하며, 심전도가 포함된 뇌전도신호(d(n))도 A/D변환부로부터 수신한다(S200).In the signal input step, an impulse signal u (n) synchronized to the estimated R wave is received from the
가중치 연산단계로, 가중치(w(n))를 구한다(S205). 즉, 가중치는 추정된 R 파에 동기화된 임펄스 신호로부터 심전도 추정을 위한 값이다.In the weight calculation step, the weight w (n) is obtained (S205). That is, the weight is a value for ECG estimation from an impulse signal synchronized to the estimated R wave.
가중치(w(n))는 다음 수식에 의해 구하여 진다.The weight w (n) is obtained by the following equation.
여기서 w(n)은 가중치이고, u(n)은 레퍼런스입력으로, 즉, 추정된 R 파에 동기화된 임펄스 신호이고, e(n)은 에러신호로, 심전도 신호가 제거된 수신된 순수한 뇌전도 신호이다.Where w (n) is a weight, u (n) is a reference input, i.e. an impulse signal synchronized to the estimated R wave, e (n) is an error signal, and the received pure EKG signal from which the ECG signal has been removed to be.
가중치 적용단계로, 추정된 R 파에 동기화된 임펄스 신호에 가중치(w(n))를 곱한다(S210). 즉, 추정된 R 파에 동기화된 임펄스 신호에 가중치(w(n))를 곱한 신호(y(n))는 심전도 신호를 추정한 것이다.In the weighting step, the impulse signal synchronized with the estimated R wave is multiplied by the weight w (n) (S210). That is, the signal y (n) obtained by multiplying the impulse signal synchronized with the estimated R wave by the weight w (n) is an ECG signal.
순수신호 검출단계로, A/D 변환기의 출력신호, 즉 심전도가 포함된 뇌전도 신호에서, 추정된 R 파에 동기화된 임펄스 신호에 가중치(w(n))를 곱해진 신호(y(n))를 빼서 심전도가 포함되지 않은 순수한 신호(e(n))를 구한다(S220). 또한 구하여진 심전도가 포함되지 않은 순수한 신호(e(n))는 다음 가중치(w(n))를 구하기 위하여 저장된다.In the pure signal detection step, in the output signal of the A / D converter, i.e., the electroencephalogram signal including the electrocardiogram, the impulse signal synchronized with the estimated R wave multiplied by the weight (w (n)) (y (n)) Subtracting to obtain a pure signal (e (n)) that does not contain an electrocardiogram (S220). In addition, the pure signal e (n) not including the obtained ECG is stored to obtain the next weight w (n).
이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.This is expressed as a formula as follows.
e(n)=d(n)-y(n)e (n) = d (n) -y (n)
여기서, e(n)은 에러신호로, 심전도 신호가 제거된 수신된 순수한 뇌전도 신호이며, d(n)은 주입력으로, 심전도가 포함된 뇌전도 신호이며, y(n)은 추정된 심전도 신호로, 즉 레퍼런스입력 × 가중치 한 것이다.Here, e (n) is an error signal, a received pure electroencephalogram signal from which an ECG signal is removed, d (n) is an injection force, an electroencephalogram signal including an electrocardiogram, and y (n) is an estimated ECG signal. , That is, the reference input × weight.
상기 순수신호 검출단계의 출력인 e(n)을 심전도가 제거된 순수한 뇌전도 신호로서 출력한다(S240).The output e (n) of the pure signal detection step is output as a pure electroencephalogram signal from which the ECG is removed (S240).
도 7은 동시에 측정된 뇌전도 신호 및 심전도 신호의 일예이다.7 is an example of an electrocardiogram signal and an electrocardiogram signal simultaneously measured.
도 7의 (a)는 일반적인 방식으로 측정되어 심전도 잡음이 유입된 뇌전도 신호로, 즉 본 발명의 A/D 변환기의 출력신호에 해당한다. 도 7의 (b)는 도 7의 (a)와 동시에 측정된 것으로 일반적인 사지유도 방식을 통해 측정된 심전도 신호이다.FIG. 7A is an electroencephalogram signal in which ECG noise is introduced and measured in a general manner, that is, an output signal of the A / D converter of the present invention. FIG. 7B is measured simultaneously with FIG. 7A and is an ECG signal measured through a general limb induction method.
도 7의 (a), (b)에서 빗금친 부분은 심전도의 R파가 발생한 시점(time)을 의미하며, 파란색 원은 R파의 peak점이다. 도 7에서 일반적인 방식으로 측정된 뇌전도 신호에는 심전도 신호가 유입되어 있음을 알 수 있다.The hatched portions in FIGS. 7A and 7B indicate a time point at which an R wave of an electrocardiogram is generated, and a blue circle is a peak point of an R wave. It can be seen that the ECG signal is introduced into the EKG signal measured in the general manner in FIG. 7.
도 8은 도 1의 최소 제곱 가속 필터에서 출력된 뇌전도의 일예이다. 도 8은 본 발명의 최소 제곱 가속 필터(220) 구동과 동시에 일반 심전계를 구동시켜 출력을 비교한 것으로, 최소 제곱 가속 필터 후의 뇌전도와 심전도의 위상공간을 비교할 수 있다.FIG. 8 is an example of an electroencephalogram output from the least squares acceleration filter of FIG. 1. FIG. 8 compares an output by driving a general electrocardiograph at the same time as driving the least
도 8의 (a)는 심전도 잡음이 유입된 1채널의 뇌전도 신호(도 8(a)에서 제일 위의 점선)와, 이와 동시에 측정된 심전도 신호(도 8(a)에서 제일 밑의 점선) 및 9차 최소 제곱 가속 필터(220)의 출력신호(도 8(a)에서 중간의 실선)을 나타내고 있다. 도 8의 (b)는 도 8의 (a)의 심전도 신호의 위상 공간을 나타내며, 도 8의 (c)는 9차 최소 제곱 가속 필터(220) 출력결과의 위상 공간을 나타낸다.8A shows an electroencephalogram signal of one channel into which ECG noise is introduced (the dotted line at the top of FIG. 8A), and the measured ECG signal (the dotted line at the bottom of FIG. 8A) at the same time; The output signal of the ninth-order least squares acceleration filter 220 (the solid line in the middle in FIG. 8A) is shown. FIG. 8B shows the phase space of the ECG signal of FIG. 8A, and FIG. 8C shows the phase space of the ninth-order least
도 8에서와 같이, 심전도의 R 파가 포함된 QRS 신호가 위상공간에서 매우 큰 궤적을 보임을 알 수 있다. 일반적인 심전도 신호의 경우 R 파가 주로 1사분면에 위치하고 있고, 본 발명에서 사용된 최소제곱가속필터 신호의 경우 R 파가 주로 3사분면에 위치하고 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 2차원의 맵핑차원과 1 샘플의 지연시간을 갖는 위상공간법을 이용하여 R 파를 검출하였다. 도 8은 위상공간법을 이용하여 나타낸 그림으로서, x축이 획득된 뇌전도 신호이고, y축이 1 샘플만큼 지연시킨 신호이다. 즉, 본 발명에서 원점을 기준으로 3사분면에 위치한 점들(1차 후보) 중 가장 먼 거리에 위치가 점(2차 후보)을 R 파라고 가정하며, 2차 후보 사이의 간격을 계산하고 연속적인 5개의 2차 후보 간격 평균의 70% 이상인 점들을 선택하여 R 파로 추정하며, 추정된 R 파에 동기화하여 임펄스를 발생시킨다.As shown in FIG. 8, it can be seen that the QRS signal including the R wave of the electrocardiogram shows a very large trajectory in phase space. In the general ECG signal, the R wave is mainly located in the first quadrant, and in the case of the least square acceleration filter signal used in the present invention, the R wave is mainly located in the third quadrant. Therefore, in the present invention, the R wave is detected by using a phase space method having a two-dimensional mapping dimension and a delay time of one sample. FIG. 8 is a diagram showing a phase space method, where the x-axis is an electroencephalogram signal and the y-axis is a signal delayed by one sample. That is, it is assumed in the present invention that the point (secondary candidate) is located at the furthest distance among the points (primary candidate) located in the third quadrant with respect to the origin, and the interval between the secondary candidates is calculated and continuous Points that are 70% or more of the average of the five second candidate intervals are selected and estimated by the R wave, and an impulse is generated in synchronization with the estimated R wave.
도 9는 도 1의 R파 추정부의 출력결과의 일예이다.9 is an example of an output result of the R-wave estimator of FIG. 1.
도 9의 (a)는 A/D변환부(190)의 출력신호로, 심전도 신호가 유입된 뇌전도 신호이다. 도 9의 (b)는 최소 제곱 가속 필터(220)의 결과와 1차 후보(도 9의 (b)의 ○로 나타낸 부분)들을 나타낸다. 도 9의 (c)는 최소 제곱 가속 필터(220)의 결과와 2차 후보(도 9의 (c)의 ○로 나타낸 부분)들을 나타낸다. 도 9의 (d)는 최소 제곱 가속 필터(220)의 결과와 R파 추정 결과(도 9의 (d)의 ○로 나타낸 부분)이다. 도 9의 (e)는 R 파 추정 결과에 따라 임펄스(도 9의 (e)의 □로 나타낸 부분)를 구성한 것을 나타낸다. 도 9의 (e)의 임펄스(□)에 따라, 도 9의 (a)에서 R파로 추정된 부분(도 9의 (a)의 □로 나타낸 부분)을 나타내고 있다. 9A is an output signal of the A /
즉, 도 9는 본 발명에 의한 방법으로 뇌전도에 포함된 심전도의 R 파를 검출하여 R 파와 동기화된 임펄스를 생성한 결과를 나타낸 것으로, R파 추정부(210)에서 R 파를 제대로 추정하고 있음을 알 수 있다.That is, Figure 9 shows the result of generating the impulse synchronized with the R wave by detecting the R wave of the electrocardiogram included in the electroencephalogram by the method according to the present invention, the
본 발명은 이상에서 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 다음에 기재되는 청구범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.The present invention is not limited to the above described and illustrated in the drawings, and of course, more modifications and variations are possible to those skilled in the art within the scope of the following claims.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 뇌전도 검사 장치 및 방법은 두피 뇌전도에 섞여 있는 심전도를 최소 제곱 가속 기반의 적응 디지털 필터를 이용하여 추정하여 뇌전도에서 제거하는 심전도 잡음 제거 수단을 구비한다. 또한 본 발명의 뇌전도 검사 장치 및 방법은 실시간으로 처리가 가능하며, 단일 채널 뇌전도에 포함된 심전도 잡음을 검출하고 포함된 심전도 잡음을 제거하여, 이동형 또는 휴대형 뇌전도 검사 장치에서 사용할 수 있는 심전도 잡음 제거 수단을 구비한다.As described above, the electroencephalogram test apparatus and method of the present invention includes electrocardiogram noise removing means for estimating the electrocardiogram mixed in the scalp electroencephalogram using an adaptive digital filter based on least square acceleration and removing the electrocardiogram from the electroencephalogram. In addition, the electroencephalogram test apparatus and method of the present invention can be processed in real time, by detecting the electrocardiogram noise included in the single-channel electrocardiogram and remove the included electrocardiogram noise, ECG noise removing means that can be used in a mobile or portable electrocardiogram test apparatus It is provided.
즉, 본 발명은 기존의 방법에서처럼 심전도 잡음의 정보를 알기 위해서 심전도를 동시에 측정하거나 또는 심전도 잡음이 포함된 복수 채널의 뇌전도를 동시에 측정할 필요가 없으므로, 저장용량과 처리능력에 한계가 있는 이동형 또는 휴대형 뇌전도 검사 장치에서 장점으로 작용할 수 있으며, 이동형 또는 휴대형 뇌전도 검사 장치에서 실시간으로 처리가 가능하며 단일 채널 뇌전도에 포함된 심전도 잡음을 검출하는 방법과 적응 디지털 필터 기반으로 심전도 잡음을 효과적으로 제거할 수 있는 새로운 방법을 제공한다.That is, the present invention does not need to simultaneously measure the electrocardiogram or the electrocardiogram of multiple channels including the electrocardiogram noise in order to know the information of the electrocardiogram noise as in the conventional method. It can be used as an advantage in the portable ECG device, and can be processed in real time by the mobile or portable ECG device, and can effectively remove ECG noise based on the method of detecting ECG noise included in the single channel ECG and the adaptive digital filter. Provide a new way.
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- 2007-02-09 KR KR1020070013484A patent/KR100866547B1/en active IP Right Grant
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