KR101016630B1 - 심전도 신호 압축 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 심전도 신호 압축 방법은, 다수의 박동에 대한 심전도 신호를 박동단위로 분할하여, 박동 주기에 대응되는 선을 가지며, 상기 선을 이루는 점들이 각 위치에서의 심전도 신호의 수직높이에 대응되는 휘도를 가지도록 변환하여 하나의 세그먼트를 생성하고, 상기 세그먼트를 수직으로 적층하여 상기 심전도 신호를 2차원 변환하는 단계; 상기 수직 적층된 세그먼트들간의 수직 변화량(Tn)이 최소인 시작 포인트를 기준으로 상기 세그먼트를 수평 이동하는 단계; 상기 수평 이동된 세그먼트들에 대해 복잡도를 산출하고, 상기 산출된 복잡도에 따라 상기 세그먼트들을 정렬하는 단계; 상기 정렬된 세그먼트들에 대한 에지를 검출하여, 상기 검출된 에지가 미리 정해둔 값 이상인 지점을 기준으로 다수의 그룹으로 분할하는 단계; 상기 다수의 그룹 각각에 대해, 세그먼트들을 길이별 정렬을 이행하는 단계; 상기 다수의 그룹 각각에 대해, 상기 길이별 정렬된 세그먼트들 중 가장 짧은 세그먼트의 종단위치에서 가장 긴 세그먼트의 종단위치까지를 제1블럭, 나머지 부분을 제2블럭으로 설정하고, 상기 제1블럭내에서 인터폴레이션을 이행하는 단계; 상기 다수의 그룹을 구성하는 다수의 블럭들 각각에 대해 인코딩을 이행하는 단계를 포함한다.

심전도 신호 압축

Description

심전도 신호 압축 방법 및 장치{Method and Apparatus of compressing / restoring signal of electrocardiogram}

본 발명은 생체신호 처리기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 심전도 신호를 압축하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

생체신호 측정장치는 뇌파, 심전도, 안전도, 혈압, 유발전위, 근전도 등 생체에서 발생하는 생리 신호를 측정하는 기기로서, 환자의 생체신호를 측정 및 저장하여 진료에 응용하는데 사용된다.

일반적인 생체신호 측정장치는 생체신호의 측정, 저장, 열람 및 판독을 하나의 독립된 기계상에서 수행하므로, 생체신호의 측정, 열람 및 판독을 위하여 반드시 독립된 생체신호 측정장치에 접근해야 한다.

이러한 한계를 극복하기 위하여, 생체신호의 측정기능과 열람 및 판독 기능을 분리하고, 분리된 기능을 랜(LAN:Local Area Network)으로 연결하여, 생체신호 측정장비가 위치한 검사실 이외의 장소에서도 열람 및 판독의 수행이 가능하도록 하려는 시도가 있어 왔다.

더욱이 네트워크를 통한 생체신호의 측정 기능과 열람 및 판독기능의 분리는 병원의 범위를 넘어 확장될 수 있으며, 병원의 범위를 넘어 환자와 진료자가 연결되는 경우에 "원격 진료"란 개념이 사용된다.

상기한 바와 같이 의학 기술의 발달과 더불어 생체 신호를 측정하여 저장하거나 전송하게 되었으나, 상기 생체 신호는 그 양이 방대한 문제가 있었다.

이에 상기 생체 신호를 효율적으로 압축할 수 있는 기술의 개발이 절실하게 요구되었다.

본 발명은 원격 진단 및 저장을 위해 심전도 신호를 압축하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심전도 신호 압축 방법은, 다수의 박동에 대한 심전도 신호를 박동단위로 분할하여, 박동 주기에 대응되는 선을 가지며, 상기 선을 이루는 점들이 각 위치에서의 심전도 신호의 수직높이에 대응되는 휘도를 가지도록 변환하여 하나의 세그먼트를 생성하고, 상기 세그먼트를 수직으로 적층하여 상기 심전도 신호를 2차원 변환하는 단계; 상기 수직 적층된 세그먼트들간의 수직 변화량(Tn)이 최소인 시작 포인트를 기준으로 상기 세그먼트를 수평 이동하는 단계; 상기 수평 이동된 세그먼트들에 대해 복잡도를 산출하고, 상기 산출된 복잡도에 따라 상기 세그먼트들을 정렬하는 단계; 상기 정렬된 세그먼트들에 대한 에지를 검출하여, 상기 검출된 에지가 미리 정해둔 값 이상인 지점을 기준으로 다수의 그룹으로 분할하는 단계; 상기 다수의 그룹 각각에 대해, 세그먼트들을 길이별 정렬을 이행하는 단계; 상기 다수의 그룹 각각에 대해, 상기 길이별 정렬된 세그먼트들 중 가장 짧은 세그먼트의 종단위치에서 가장 긴 세그먼트의 종단위치까지를 제1블럭, 나머지 부분을 제2블럭으로 설정하고, 상기 제1블럭내에서 인터폴레이션을 이행하는 단계; 상기 다수의 그룹을 구성하는 다수의 블럭들 각각에 대해 인코딩을 이행하는 단계를 포함한다.

상기한 본 발명은 원격 진단 또는 저장을 위해 심전도 신호를 효율적으로 압축할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 심전도 신호 압축장치의 구성도이다. 상기 심전도 신호 압축장치는 프로세서(100)와 메모리 장치(102)로 구성된다. 상기 프로세서(100)는 심전도 신호를 입력받아 압축을 이행하거나, 압축된 심전도 신호를 제공받아 복원한다. 상기 메모리 장치(102)는 상기 프로세서(100)의 처리 프로그램을 저장함은 물론이며, 상기 프로세서(100)에 의한 프로그램 처리시에 필요한 메모리 영역을 제공한다.

<심전도 신호 압축 과정>

상기 심전도 신호 압축장치에 의해 이행되는 심전도 신호 압축 방법에 따른 처리 흐름도를 도시한 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.

<QRS 검출>

먼저 상기 심전도 신호 압축장치의 프로세서(100)는 상기 심전도 신호를 입력받아 QRS를 검출한다(200단계).

도 3의 (a)는 일반적인 심전도 신호를 도시한 것으로, 상기 심전도 신호는 크게 상기 심전도 신호는 P와 QRS와 T로 구성된다. 상기 P는 좌우 심방의 탈분극으로 인해 나타나는 곡선이고, 상기 QRS는 His bundle에서 좌우각을 통하여 Purkinje fibers로 진행되는 전기 충격으로 좌우 심실이 탈분극될 때 나타나는 파형이고, 상 기 심실의 재분극(repolarization) 상태를 나타내는 것이다. 상기 심전도 신호에서 QRS를 검출하는 것은 이미 공지되었으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

<박동단위 분할 및 2차원 변환>

상기 심전도 신호에서 QRS를 검출하면, 상기 프로세서(100)는 상기 QRS를 기준으로 상기 심전도 신호를 분할한다. 여기서, 상기 QRS를 기준으로 분할한 심전도 신호는 하나의 박동 단위이다.

상기 심전도 신호의 분할 후에 상기 프로세서(100)는 하나의 박동이 차지하는 길이를 가지며, 심전도 신호의 높이를 휘도로 표식하는 방식으로 2차원 변환하다(202단계). 여기서, 상기 하나의 박동 단위이며, 심전도 신호의 높이를 휘도로서 표식한 것을 편이상 세그먼트라 칭한다.

이러한 변환과정을 도 4를 참조하여 좀더 설명한다. 상기 도 4의 (a)는 심전도 신호를 도시한 것으로, 상기 심전도 신호의 피크는 QRS의 R부분이며, 상기 R부분을 기준으로 심전도 신호를 분할한 것이 도 4의 (b)이다.

상기 도 4의 (b)는 하나의 박동에 대응되는 것이며, 박동 주기에 따라 길이가 변화한다.

상기 도 4의 (c)는 상기 하나의 박동 단위로 분할한 심전도 신호를, 수직 높이를 휘도로 표식한 하나의 선으로 변환하여 세그먼트를 생성하고, 상기 세그먼트를 수직으로 적층함으로서, 심전도 신호를 2차원 변환한 것이다.

상기 세그먼트는 하나의 선으로 길이는 상기 박동 단위로 분할된 심전도 신호의 길이에 대응되고, 상기 선을 형성하는 점들 각각의 휘도는 해당 지점에서의 심전도 신호의 파형의 수직 높이에 대응된다. 즉, 상기 선을 형성하는 점들 각각은 심전도 신호의 수직 높이가 높은 지점에서는 밝은 색을 띠고 심전도 신호의 수직 높이가 낮은 지점에서는 어두운 색을 띤다.

<심전도 신호 압축 처리를 위한 시작 포인트 결정 및 쉬프트>

상기한 바와 같이 심전도 신호를 2차원 변환한 후에 상기 프로세서(100)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 심전도 신호 압축 처리를 위한 시작 포인트를 결정한다.

상기 시작 포인트는 수학식 1에 따라 산출된다.

상기 시작 포인트(S)는 QRS에 따라 박동단위로 분할되어 정렬된 심전도 신호를 쉬프트하기 위한 지점을 나타낸다. 상기 시작 포인트(S)는 Tn이 최소가 되는 지점이다.

상기 Tn은 QRS 포지션에서 좌측으로 n만큼 앞쪽 지점을 세그먼트의 경계로 설정하였을때 아래위 세그먼트간의 차이(difference)의 총합으로, 아래위 세그먼트간의 유사도를 나타낸다,

상기 Vn,i(j)은 n만큼 쉬프트하였을때 I번째 세그먼트의 j번째 샘플포인트를 의미하며, 상기 Vn,i+1(j)은 n만큼 쉬프트하였을때 I번째 세그먼트의 j+1번째 샘플 포인트를 의미하며, 상기 Tn이 최소가 되는 지점은 아래위 세그먼트간 유사도가 가장 큰 부분을 의미한다. 즉 Tn이 최소가 되는 n값으로 S의 값이 결정된다.

상기한 시작 포인트(S)가 산출되어 결정되면, 상기 프로세서(100)는 상기 시작 포인트(S)에 따라 상기 2차원 변환된 심전도 신호를 쉬프트한다(204단계).

도 5의 (a)는 시작 포인트(S)를 결정하는 과정을 도시한 것이며, 상기 시작 포인트(S)는 1샘플씩 이동하면서 구한 Tn의 값이 최소인 지점이다. 상기 시작 포인트(S)가 결정되면, 상기 프로세서는 도 5의 (b)에 도시한 바와 같은 2차원 변환된 심전도 신호를 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이 쉬프트한다. 즉 도 5의 (b)를 상기 시작 포인트(S)만큼 우측으로 쉬프트한 것이 도 5의 (c)이다. 즉, 세그먼트는 QRS 포지션을 기준으로 하나, 본 발명에서는 시작 포인트를 QRS에서 좌측으로 S만큼 이동된 지점으로 정한다.

<복잡도 정렬>

이후 상기 프로세서(100)는 복잡도 정렬(COMPLEXITY SORTING)을 이행한다.

상기 복잡도 정렬은 분산이 가장 적은 세그먼트

과 다른 세그먼트들과의 복잡도 순서대로 정렬한다.

상기 복잡도는 수학식 2에 따라 구해진다.

여기서, 상기 프로세서(100)는 각 세그먼트별로 최초 위치에 대한 위치정보를 저장하여, 이는 향후 복원시에 각 세그먼트를 자신의 위치로 복귀시키고자 할 때에 사용된다.

<비트 그룹핑>

이후 상기 프로세서(100)는 비트 그룹핑(beat grouping)을 이행한다(208단계).

상기 비트 그룹핑을 위해 상기 프로세서(100)는 상기 복잡도 정렬된 세그먼트들에 대한 길이 정규화를 이행하고, 상기 길이 정규화된 세그먼트들에 대해 잡음 제거를 이행한다. 이후, 상기 프로세서(100)는 상기 잡음 제거된 세그먼트들에 대해 에지를 검출하고, 상기 검출된 에지의 강도를 분석한다. 상기 에지의 강도가 미리 정해둔 수치 이상이 되는 지점들을 기준으로 그룹핑을 이행한다.

여기서, 급격하게 가변되는 부분이 있는 심전도 신호에 대한 비트 그룹핑 과정을 도 6의 예를 참조하여 설명한다.

상기 도 6의 (a)는 중앙 부분에서 급격하게 변화하는 심전도 신호에 대해 길이 정규화를 이행한 것이며, 도 6의 (b)는 상기 길이 정규화가 이행된 심전도 신호에 대해 잡음을 제거한 것이며, 도 6의 (c)는 상기 잡음 제거된 심전도 신호에 대한 에지를 검출한 것이다. 상기 에지는 신호가 급격하게 변화하는 곳에서 발생하므 로, 상기 에지는 상기 심전도 신호의 변화부분을 지시한다. 상기 도 6의 (c)는 상기 검출한 에지의 강도를 분석한 것이다.

상기 에지의 강도가 미리 정해둔 값 이상인 지점을 기준으로 상기 프로세서(100)는 비트 그룹핑을 이행한다.

<길이 정렬>

상기한 비트 그룹핑이 완료되면, 상기 프로세서(100)는 각 그룹별로 길이 정렬(Period sorting)을 이행한다(210단계). 즉, 상기 프로세서(100)는 상기 비트 그룹화에 의해 생성된 다수의 그룹 각각에 대해 길이별 정렬을 이행한다.

<블럭 나누기>

상기 길이별 정렬이 이행되면, 상기 프로세서(100)는 그룹들 각각에 대해 세개의 블럭으로 나눈다(212단계). 즉, QRS 길이를 포함하는 제1블럭과, 해당 그룹에서 가장 짧은 세그먼트의 종단부분에서 시작하여 해당 그룹에서 가장 긴 세그먼트의 종단부분에서 종료되는 제3블럭과, 상기 제1블럭과 제3블럭의 사이에 위치하는 제2블럭으로 구성된다.

이와같이 블럭을 나눈 예를 도시한 도 7을 참조하면, 비트 그룹핑 과정을 거쳐 생성된 제1 내지 제3그룹(Group1~Group3) 각각은 세 개의 블럭으로 다시 나뉘며, 상기 세 개의 블럭은 QRS 길이를 포함하는 제1블럭과, 해당 그룹에서 가장 짧은 세그먼트의 종단부분에서 시작하여 해당 그룹에서 가장 긴 세그먼트의 종단부분에서 종료되는 제3블럭과, 상기 제1블럭과 제3블럭의 사이에 위치하는 제2블럭이다.

<길이 정규화>

이후 상기 프로세서(100)는 길이 정규화를 이행한다(214단계). 상기 길이 정규화는 각 그룹의 제3블럭에서 세그먼트가 존재하지 않는 빈 공간에 B-SPLINE 인터폴레이션(interpolation)을 이용하여 각 라인을 가로로 펴서 채우는 것이다. 여기서, 상기 프로세서(100)는 상기 인터폴레이션시에 디-인터폴레이션을 위한 정보를 저장한다. 즉, 상기 프로세서(100)는 각 라인에 대한 길이정보를 디인터폴레이션을 위한 정보로 구성하여 복원정보에 저장한다.

<블록 정규화>

이후 상기 프로세서(100)는 각 블록의 평균을 정규화한다(216단계). 상기 평균 정규화는 각 라인의 평균값이 블록의 평균값과 같도록 맞춰주고, 각 라인에 대해 블록의 평균값과의 차이값 정보를 블록 정규화 정보로서 저장한다.

상기 길이 정규화 및 상기 평균 정규화에 의해 도 8에 도시한 바와 같은 심전도 신호는 각 블럭의 공간부분이 채워져 직사각형의 형태를 가지게 된다.

<인코딩 및 저장, 전송>

상기 프로세서(100)는 상기한 그룹들 각각에 대해 JPEG 2000 방식에 따라 인코딩함과 아울러, 상기 변환시에 발생된 세그먼트의 위치정보, 블록 정규화 정보, 디인터폴레이션을 위한 정보를 복원정보로서 저장한다.

이와 같이 본 발명은 블럭들로 나누어 인코딩을 이행함으로써, 영상의 크기를 대폭적으로 감소시킴은 물론이며, 그룹간 차이로 인해 그룹 경계에서의 스텝 에지 문제를 해소할 수 있다. 또한 상기 평균 정규화 과정을 통해 고주파 성분을 감 소시킬 수 있는 효과가 있다.

<압축된 심전도 신호 복원 과정>

상기한 본 발명에 따라 압축된 심전도 신호를 복원하는 과정을 도 9를 참조하여 설명한다.

상기 프로세서(100)는 인코딩된 심전도 신호와 복원정보가 입력되면, 상기 심전도 신호를 JPEG 2000에 의해 디코딩한다(300단계).

이후 상기 프로세서(100)는 상기 복원정보에 포함된 블록 정규화 정보를 토대로 각 라인의 평균값을 원래의 값으로 복원한다(302단계). 즉 각 라인에 대한 블록의 평균값의 차이값들로 구성되는 블록 정규화 정보에 따라, 상기 차이값을 다시 더해주는 방식으로 복원한다.

상기 프로세서(100)는 상기 정규화 복원된 블록들 중 인터폴레이션이 이행되었던 제3블록에 대해 디인터폴레이션을 이행한다(302단계). 여기서, 상기 블록의 인터폴레이션시에 사용하였던 라인의 길이정보는 상기 복원정보에 등록되며, 상기 복원정보를 토대로 상기 프로세서(100)는 디인터폴레이션을 이행하여 각 라인의 길이를 복원한다.

상기 제3블록에 대한 디인터폴레이션이 완료되면, 상기 프로세서(100)는 상기 길이 복원이 된 세그먼트들에 대한 위치를 상기 복원정보에 포함된 위치정보에 따라 이동한다(306단계).

이후 상기 프로세서(100)는 상기 각 세그먼트들을 1차원 변환을 이행한다(308단계). 즉, 각 세그먼트들을 하나의 선으로 연결하고, 선을 형성하는 각 점 이 자신의 휘도에 대응되는 수직 높이를 가지도록 변환된다.

이로서, 본 발명에 따른 압축된 심전도 신호의 복원이 완료된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 심전도 신호 처리 장치의 구성도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 심전도 신호 압축방법의 흐름도.

도 3은 일반적인 심전도 신호의 파형도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 심전도 신호의 2차원 변환과정을 예시한 도면.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 심전도 신호의 압축 처리 시작 포인트 검출 과정 및 쉬프트 과정을 예시한 도면.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그룹화 과정을 예시한 도면.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블럭화 과정을 예시한 도면.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블럭내 인터폴레이션 결과를 예시한 도면.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축된 심전도 신호의 복원방법의 흐름도.

Claims (6)

1. 심전도 신호 압축 방법에 있어서,

   다수의 박동에 대한 심전도 신호를 QRS를 기준으로 박동 단위로 분할하여,

   박동 단위로 분할된 심전도 신호들 각각에 대응되는 세그먼트들을 생성하며, 상기 세그먼트들은 길이가 박동이 차지하는 길이를 가지는 선이며, 그 선을 이루는 점들 각각이 각 위치에서의 심전도 신호의 높이에 대응되게 설정된 휘도를 가지도록 생성하며,

   상기 세그먼트들을 수직으로 적층하여 상기 심전도 신호를 2차원 변환하는 제1단계;

   상기 수직 적층된 세그먼트들간의 수직 변화량이 최소인 시작 포인트를 기준으로 상기 세그먼트를 수평 이동하는 제2단계;

   상기 수평 이동된 세그먼트들에 대해 복잡도를 산출하고, 상기 산출된 복잡도에 따라 상기 세그먼트들을 정렬하는 제3단계;

   상기 정렬된 세그먼트들에 대한 에지를 검출하여, 상기 검출된 에지가 미리 정해둔 값 이상인 지점을 기준으로 다수의 그룹으로 분할하는 제4단계;

   상기 다수의 그룹 각각에 대해, 세그먼트들을 길이별 정렬을 이행하는 제5단계;

   상기 세그먼트들의 길이별 정렬이 이행된 다수의 그룹 각각에 대해, 상기 길이별 정렬된 세그먼트들을 QRS 길이를 포함하는 제1블럭과, 해당 그룹에서 가장 짧은 세그먼트의 종단부분에서 시작하여 해당 그룹에서 가장 긴 세그먼트의 종단부분에서 종료되는 제3블럭과, 상기 제1블럭과 제3블럭의 사이에 위치하는 제2블럭으로 분할하고, 상기 제3블럭내에서 인터폴레이션을 이행하는 단계;

   상기 인터폴레이션이 완료되면, 상기 다수의 그룹을 구성하는 다수의 블럭들 각각에 대해 인코딩을 이행하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호 압축 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 박동 단위로 분할된 심전도 신호를 세그먼트로 변환할 때에, 세그먼트를 구성하는 점들의 휘도는 심전도 신호의 수직 높이가 높을 때에는 밝은 색을 띠고 심전도 신호의 수직 높이가 낮은 지점에서는 어두운 색을 띠도록 설정됨을 특징으로 하는 심전도 신호 압축방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 세그먼트별 위치정보, 디인터폴레이션을 위한 정보를 복원정보로 구성하여 저장하는 단계;

   를 더 구비함을 특징으로 하는 심전도 신호 압축방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 분할된 블록들 각각에 포함되는 세그먼트의 일부들 각각에 대해,

   상기 세그먼트의 일부의 평균값과 자신이 속해있는 블록의 평균값 사이의 차이값을 검출한 후에, 상기 세그먼트의 일부의 평균값을 상기 블록의 평균값으로 대치하고, 상기 차이값을 복원정보로서 구성하여 저장하는 단계;

   를 더 구비함을 특징으로 하는 심전도 신호 압축방법.
5. 심전도 신호 복원 방법에 있어서,

   다수의 블럭으로 나뉘어 인코딩된 다수의 세그먼트 및 복원정보가 입력되면, 상기 다수의 블럭 각각에 대해 디코딩하는 단계;

   상기 디코딩된 다수의 블록들 중 인터폴레이션된 블록들에 대해 상기 복원정보에 포함된 디인터폴레이션을 위한 정보를 이용하여 디인터폴레이션하여 상기 다수의 세그먼트의 길이를 복원하는 단계;

   상기 길이가 복원된 세그먼트의 위치를 상기 복원정보에 포함된 위치정보에 따라 이동하는 단계;

   상기 이동된 세그먼트들을 하나의 선으로 일렬 정렬하며, 상기 선을 이루는 점들 각각이 자신의 휘도에 대응되는 수직 높이를 가지도록 1차원 변환하는 단계;

   를 구비함을 특징으로 하는 심전도 신호 복원 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 블록들 각각에 대해 해당 블록의 평균값으로 정규화되었던 블록내 각 라인의 평균값을 상기 복원정보에 포함된 블록 평균값과 라인의 평균값간의 차이값정보에 따라, 상기 각 라인의 평균값을 복원하는 단계;

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호 복원 방법.

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