KR101235215B1

KR101235215B1 - 잡음 제거 장치 및 그에 따른 잡음 제거 방법

Info

Publication number: KR101235215B1
Application number: KR1020100107132A
Authority: KR
Inventors: 박길흠; 김세윤; 김태훈; 정광욱
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2013-02-20
Also published as: KR20120045526A

Abstract

모폴로지(morphology)를 이용하여 심전도 신호의 잡음을 제거하는 잡음 제거 장치 및 그에 따른 잡음 제거 제거 방법이 제공된다. 잡음 제거 방법은 입력된 심전도 신호에서 제거하고자 하는 제1 신호 영역의 시간 폭에 기초하여 모폴로지 연산의 제1 구조 요소(structuring element)의 크기를 결정하는 단계, 제1 구조 요소의 크기에 기초하여 심전도 신호에 대해 모폴로지 연산을 수행하는 단계, 모폴로지 연산이 수행된 심전도 신호에서 제거하고자 하는 제2 신호 영역의 시간 폭에 기초하여 모폴로지 연산의 제2 구조 요소의 크기를 결정하는 단계, 제2 구조 요소에 기초하여 모폴로지 연산이 수행된 심전도 신호에 대해 모폴로지 연산을 재수행하는 단계 및 심전도 신호에서 모폴로지 연산이 재수행된 신호를 제거하는 단계를 포함한다.

Description

잡음 제거 장치 및 그에 따른 잡음 제거 방법 {Apparatus and method for eliminating noise}

본 발명은 잡음 제거 장치 및 잡음 제거 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 모폴로지 연산을 이용하여 잡음을 제거하는 잡음 제거 장치 및 잡음 제거 방법에 관한 것이다.

심전도 신호는 동방결절에서 발생된 미세 전류에 의한 심장의 수축과 이완 운동을 신체의 표면상에서 전기적으로 기록한 것으로서, 심장 활동에 관련된 여러 정보를 제공하므로 환자의 심장 질환 진단에 있어서, 중요한 역할을 한다.

도 1은 일반적인 심전도 신호의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 것과 같이, 심전도 신호는 심방의 탈분극(수축)과 관계되어 나타나는 P파, 파형의 저점을 나타내는 Q파, 파형의 고점을 나타내는 R파, 저점 S파, 심실 재분극과 관련된 T파로 구성된다. 이러한, P파, QRS-complex파 및 T파는 심장의 전기적 생리적 특성을 나타내는 중요한 파형으로서 다양한 임상적 의미를 지니고 있지만, 일반적인 잡음 신호들과 진폭 및 시간 간격 등에서 유사한 특성을 갖기 때문에, 잡음 신호에 영향을 받기 쉽다.

특히, 환자의 호흡에 의한 기전선 변동 잡음 신호는 1Hz 미만의 저주파 성분의 잡음으로서 크기가 작고 저주파인 ST-segment와 유사한 주파수대역을 가진다. ST-segment는 심근경색이나 심근허혈과 같은 심장 질환 진단을 위해 매우 정확히 측정되어야 할 신호 성분이므로, 기저선 변동 잡음 신호의 제거는 환자의 심장 질환의 원활한 진단을 위해 필수적이며, 여기서 ST-segment의 왜곡 최소화는 반드시 고려되어야 한다.

기저선 변동 잡음을 제거하기 위한 기존 방법으로는 표준필터의 고역통과필터와 적응필터를 사용하는 방법이 대표적이다. 하지만, 표준필터의 경우에는 차단 주파수 대역을 넘어서는 잡음은 제거할 수 없으며, 이를 제거하기 위하여 차단 주파수 대역을 넓게 하면 심전도 신호의 왜곡을 가져오므로 진단 파라미터를 정확하게 추출할 수 없는 문제가 있다. 또한 적응필터의 경우에는 비교적 우수한 성능을 보이고 있지만, 정상 및 비정상 신호에 대한 객관적 기준이 되는 참조 신호의 선택에 어려움이 따른다. 즉 잘못된 참조신호를 입력으로 사용하였을 경우, 전혀 잡음을 제거하지 못하거나 심지어 원 신호의 왜곡만을 가져올 수 있다.

이에 따라, 원 신호의 왜곡을 최소화하며 기저선 변동 잡음 신호 제거를 위한 방안이 요청된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 기저선 변동 잡음이 포함된 원 신호에 모폴로지 연산을 복 수회 적용하여, 기저선 변동 잡음을 추정하고, 이를 제거하는 잡음 제거 장치 및 그에 따른 잡음 제거 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 신호의 잡음 제거 방법은 입력 신호의 크기를 기준으로 제1 방향 피크를 제거하기 위한 제1차 모폴로지 연산을 수행하고, 상기 제1 방향 피크의 반대 방향인 제2 방향 피크를 제거하기 위한 제2차 모폴로지 연산을 수행하여, 기저 신호를 검출하는 단계 및 상기 입력 신호로부터 상기 기저 신호 성분을 제거하여, 측정 대상 성분을 검출하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 기저 신호를 검출하는 단계는 상기 제1 방향 피크 및 상기 제2 방향 피크의 샘플링 인덱스(sampling index) 간격 중 최대 샘플링 인덱스 간격을 검출하는 단계, 상기 최대 샘플링 인덱스 간격에 단위 샘플링 인덱스를 가산하여 제1 간격을 결정하는 단계, 상기 제1 간격을 가지는 제1 구조 요소를 이용하여 상기 입력 신호의 제1 방향에 대하여, 제1차 모폴로지 연산을 수행하는 단계, 상기 최대 샘플링 인덱스 간격을 이용하여 제2 간격을 결정하는 단계 및 상기 제1차 모폴로지 연산의 결과신호의 제2 방향에 대하여, 상기 제2 간격을 가지는 제2 구조 요소를 이용하는 제2차 모폴로지 연산을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1차 모폴로지 연산은 (a1) 상기 입력 신호의 상기 제1 방향에 대해서 샘플링 축을 따라서 상기 제1 구조 요소를 적용하는 단계, (b1) 상기 적용된 제1 구조 요소의 제1 간격 내에서, 상기 입력 신호 값의 최고점 및 최저점 중 어느 하나를 검출하는 단계, (c1) 상기 제1 구조 요소를 상기 샘플링 축을 따라서 이동시키고 상기 (a1) 및 (b1) 단계를 반복 수행하면서, 상기 검출된 값들을 연결하여 신호 파형을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제2차 모폴로지 연산은 (a2) 상기 결과 신호의 상기 제2 방향에 대해서, 샘플링 축을 따라서 상기 제2 구조 요소를 적용하는 단계, (b2) 상기 적용된 제2 구조 요소의 제2 간격 내에서, 상기 입력 신호 값의 최고점 및 최저점 중 다른 하나를 검출하는 단계, (c2) 상기 제2 구조 요소를 상기 샘플링 축을 따라서 이동시키고 상기 (a2) 및 (b2) 단계를 반복 수행하면서, 상기 검출된 값들을 연결하여 신호 파형을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

한편, 상기 입력 신호는 시간을 샘플링 축으로 하고, 크기를 세로축으로 하는 2차 도메인 상의 신호 파형으로 표시되고, 상기 제1 방향 피크는, 상기 세로 축 상에서 상측 및 하측 방향 중 어느 하나의 방향으로 돌출된 피크이며, 상기 제2 방향 피크는, 상기 세로 축 상에서 상기 상측 및 하측 방향 중 다른 하나의 방향으로 돌출된 피크일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른, 신호의 잡음을 제거하는 잡음 제거 장치는 입력 신호의 크기를 기준으로 제1 방향 피크를 제거하기 위한 제1차 모폴로지 연산을 수행하고, 상기 제1 방향 피크의 반대 방향인 제2 방향 피크를 제거하기 위한 제2차 모폴로지 연산을 수행하여, 기저 신호를 검출하는 검출부 및 상기 입력 신호로부터 상기 기저 신호 성분을 제거하여, 측정 대상 성분을 검출하는 제어부를 포함한다.

여기서, 상기 제1차 모폴로지 연산 및 상기 제2차 모폴로지 연산이 수행된 결과를 저장하는 저장부 및 상기 입력 신호로부터 상기 기저 신호 성분이 제거된 신호를 표시하는 디스플레이부를 더 포함하며, 상기 검출부는 상기 제1 방향 피크 및 상기 제2 방향 피크의 샘플링 인덱스(sampling index) 간격 중 최대 샘플링 인덱스 간격을 검출하고, 상기 최대 샘플링 인덱스 간격에 단위 샘플링 인덱스를 가산하여 제1 간격을 결정하며, 상기 제1 간격을 가지는 제1 구조 요소를 이용하여 상기 입력 신호의 제1 방향에 대하여, 제1 차 모폴로지 연산을 수행하고, 상기 최대 샘플링 인덱스 간격을 이용하여 제2 간격을 결정하며, 상기 제1차 모폴로지 연산의 결과 신호의 제2 방향에 대하여, 상기 제2 간격을 가지는 제2 구조 요소를 이용하는 제2 차 모폴로지 연산을 수행할 수 있다.

여기서, 상기 제1 차 모폴로지 연산은 (a1) 상기 입력 신호의 상기 제1 방향에 대해서 샘플링 축을 따라서 상기 제1 구조 요소를 적용하는 단계, (b1) 상기 적용된 제1 구조 요소의 제1 간격 내에서, 상기 입력 신호 값의 최고점 및 최저점 중 어느 하나를 검출하는 단계, (c1) 상기 제1 구조 요소를 상기 샘플링 축을 따라서 이동시키고 상기 (a1) 및 (b1) 단계를 반복 수행하면서, 상기 검출된 값들을 연결하여 신호 파형을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제2 차 모폴로지 연산은 (a2) 상기 결과 신호의 상기 제2 방향에 대해서, 샘플링 축을 따라서 상기 제2 구조 요소를 적용하는 단계, (b2) 상기 적용된 제2 구조 요소의 제2 간격 내에서, 상기 입력 신호 값의 최고점 및 최저점 중 다른 하나를 검출하는 단계, (c2) 상기 제2 구조 요소를 상기 샘플링 축을 따라서 이동시키고 상기 (a2) 및 (b2) 단계를 반복 수행하면서, 상기 검출된 값들을 연결하여 신호 파형을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 잡음 제거 장치 및 그에 따른 잡음 제거 방법은 원 신호에서 기저선 변동 잡음을 추정하여, 원 심전도 신호의 왜곡을 최소화하면서 기저선 변동 잡음을 제거할 수 있다.

도 1은 일반적인 심전도 신호의 일 예를 나타내는 도면,
도 2a 내지 도 2d는 일반적인 모폴로지(morphology)를 구성하는 기본적인 연산에 대한 일 예를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치의 구성을 나타내는 블록도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 검출부(110)의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치의 구성을 나타낸 블록도,
도 6a 내지 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치를 이용하여 심전도 신호에서 단조 증가의 형태를 가지는 기저선 변동 잡음을 추정하여 제거하는 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프,
도 8a 내지 도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치를 이용하여 심전도 신호에서 졍현파 형태를 가지는 기저선 변동 잡음을 추정하여 제거하는 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프,
도 10a 내지 도 10c는 1600개의 샘플 구간에 대하여 최대값과 최소값의 차가 약 0.2인 기저선 변동 잡음을 가지는 심전도 신호에 대해, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치를 사용한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프,
도 11a 내지 도 11c는 한 주기 상에서 기저선 변동 잡음이 증감을 반복하는 형태를 띤 경우의 심전도 신호에 대해, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치를 사용한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프, 그리고,
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 방법을 구현하는 흐름도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 모폴로지 연산을 복수 회 적용하여, 원 신호에서 기저선 변동 잡음의 제거를 목적으로 하며, 본 발명을 설명하기에 앞서 본 발명에서 이용되는 모폴로지 연산에 대해 간략하게 설명하기로 한다.

모폴로지(morphology)는 영상 신호 처리에서 대부분 사용되며, 수학적 개념의 모폴로지란 이미지의 기하학적(geometric) 구조에 집중하는 비선형적 영상 처리 및 분석 방법으로서, 1차적인 연산(primary operation)인 침식(erosion) 및 팽창(dilation)과 2차적인 연산(secondary operation)인 열림(opening) 및 닫힘(closing)을 포함한다. 이러한 간단한 모폴로지들의 조합으로 많은 선형, 비선형적인 연산기(operator)들이 구성될 수 있다.

먼저, 모폴로지에서 가장 기본적인 동작은 침식 연산과 팽창 연산이다. 구체적으로는, 팽창 연산은 음성 신호 이미지의 미리 정해진 각 임계 구간(threshold set)의 최대값(maxima)을 해당 구간의 값으로 결정하는 연산으로, 입력 이미지를 줄이려(shrinking)하는 경향을 가진다. 또한, 침식 연산은 음성 신호 이미지의 미리 정해진 각 임계 구간의 최저값(minima)을 해당 구간의 값으로 결정하는 연산으로, 침식의 이중 연산(dual operation)으로서, 침식의 여집합(set complementation)으로 정의될 수 있다.

한편, 모폴로지의 2차 연산은 열림과 닫힘이다. 열림은 침식 연산 이 후 팽창 연산을 수행하는 연산이며, 스무딩(smoothing) 효과를 나타낸다. 또한, 닫힘은 팽창 연산 다음에 침식 연산을 수행하는 연산이며, 필링(filling) 효과를 나타낸다.

이러한 모폴로지 연산은 신호의 국부 극값(local extrema) 주변의 영역을 제외하여, 신호의 전체적 흐름을 추정하는 역할을 할 수 있으며, 특히, 기저선 변동 잡음을 포함하는 심전도 신호에서 기저 신호를 추정할 수 있다.

상술한 모폴로지의 침식 연산, 팽창 연산, 열림 연산 및 닫힘 연산이 적용된 구체적인 일 예는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같다.

구체적으로, 도 2a 및 도 2b는 원 신호 f에 대해 각각 침식 연산과 팽창 연산이 수행된 결과를 나타낸다. 또한, 도 2c는 침식 연산이 적용된 원 신호 f(도 2a)에 팽창 연산이 적용된, 즉 원 신호 f에 대한 열림 연산을 나타내며, 도 2d는 팽창 연산이 적용된 원 신호 f(도 2b)에 침식 연산이 적용된, 즉 원 신호 f에 대한 닫힘 연산이 수행된 결과를 나타낸다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 잡음 제거 장치는 기저선 변동 잡음 신호가 포함된 원 신호에 대해, 모폴로지의 연산을 복수 회 수행하여, 입력 신호(이하에서 원 신호라 한다)에서 기저 신호를 추정하고, 이를 제거하는 기능을 수행한다.

모폴로지 연산이란 상술한 바와 같이, 원 신호의 크기를 기준으로 국부 최대값(local maxima) 성분을 가지는 상향 피크 신호 영역과 국부 최소값(local minima) 성분을 가지는 하향 피크 신호 영역을 제거하여, 원 신호의 기저 신호를 추정할 수 있는 연산을 의미한다. 여기서, 상향 피크 신호 영역이란 기저 대역에서 원 신호의 크기를 기준으로 상측 방향으로 돌출된 신호를 의미하고, 하향 피크 신호 영역이란 기저 대역에서 원 신호의 크기를 기준으로 하측 방향으로 돌출된 신호를 의미할 수 있다.

특히, 본 잡음 제거 장치는 환자의 호흡에 의해 발생한 기저선 변동 잡음 신호를 포함하는 심전도 신호에 적용할 수 있으며, 뿐만 아니라, 전원 라인에서 발생하는 60Hz 대역의 변조파와 광대역 백색 잡음, 주변 장치의 영향이나 환자의 움직임에 의한 근잡음이 포함된 심전도 신호에도 적용될 수 있다.

또한, 본 잡음 제거 장치는 모폴로지 연산을 수행함에 있어, 원 신호를 일정한 샘플링 주파수로 샘플링하여, 샘플링된 원 신호를 이용할 수 있다. 따라서, 원 신호를 2차 도메인 상의 신호 파형으로 표시하면, 가로 축은 샘플링 축이고 세로 축은 크기로 나타낼 수 있는바, 원 신호의 상향 피크 및 하향 피크 신호 영역의 가로 축은 샘플링 인덱스 간격으로 나타낼 수 있다.

이러한, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치는 도 3에 도시된 것과 같이, 검출부(110) 및, 제어부(120)를 포함한다.

검출부(110)는 원 신호에 대해 모폴로지 연산을 수행하여, 원 신호의 기저 신호를 추정하는 기능을 한다. 이를 위해, 검출부(110)는 모폴로지 연산이 적용되는 구조 요소(structuring element)의 크기를 결정할 수 있다. 구체적으로는, 원 신호의 기저 대역에서 상향 피크 및 하향 피크 신호 영역이 가지는 샘플링 인덱스(sampling index) 간격 중 최대 샘플링 인덱스 간격을 검출하고, 검출된 최대 샘플링 인덱스 간격에 단위 샘플링 인덱스를 가산하여 구조 요소의 크기를 결정할 수 있다.

여기서, 구조 요소란 모폴로지 연산을 수행함에 있어, 원 신호에서 제거하고자 하는 상향 피크 및 하향 피크 신호 영역을 결정하는 결정 단위를 의미하며, 이러한 구조 요소의 크기는 샘플링 인덱스 간격으로 정의될 수 있다.

일 예로, μ+1의 크기를 가지는 구조 요소를 적용하여 원 신호에 모폴로지 연산을 수행하면, 원 신호 중 기저 대역에서 0 내지 μ의 샘플링 인덱스 간격을 가지는 상향 피크 및 또는하향 피크 신호는 제거되지만, μ+1 이상의 샘플링 인덱스 간격을 가지는 상향 피크 및 하향 피크 신호는 제거되지 않게 된다. 즉, 0 내지 μ의 샘플링 인덱스 간격을 가지는 신호 영역을 제거하기 위해서는, 제거하고자하는 신호 영역 중 최대 샘플링 인덱스 간격에 단위 샘플링 인덱스를 가산하여, 구조 요소의 크기를 결정하면 된다.

이에 따라, 모폴로지 연산의 구조 요소의 크기를 적절히 설정하여, 원 신호에서 제거하고자 하는 상향 피크 및 하향 피크 신호 영역을 결정할 수 있게 된다.

또한, 검출부(110)는 결정된 구조 요소를 적용하여, 원 신호에 대해 모폴로지 연산을 수행하는 기능을 한다. 구체적으로는, 상향 피크 신호 영역을 제거하기 위해 모폴로지 연산 중 침식 연산을 수행할 수 있으며, 하향 피크 신호 영역을 제거하기 위해 팽창 연산을 수행할 수 있으며, 샘플링 축에 따라, 결정된 구조 요소를 적용할 수 있다.

구체적으로는, 검출부(110)는 침식 연산 수행 시, 결정된 구조 요소를 원 신호를 따라 움직이게 하고, 구조 요소의 크기 내에서 원 신호 값의 최저점을 검출하고, 검출된 값들을 연결하여 신호 파형을 검출한다. 또한, 팽창 연산 수행 시에는 결정된 구조 요소를 원 신호에 따라 움직이게 하고, 구조 요소의 크기 내에서 원 신호 값의 최고점을 검출하고, 검출된 값들을 연결하여 신호 파형을 생성한다.

일 예로, 0 에서 μ의 샘플링 인덱스 간격을 가지는 상향 피크 신호 및 하향 피크 신호를 제거하기 위해, 검출부(110)가 구조 요소의 크기를 μ+1로 설정하였다고 가정한다. 이 후, 검출부(110)가 μ+1로 결정된 구조 요소의 크기를 가지고 침식 연산을 수행하면, 원 신호의 기저 대역에서 샘플링 인덱스가 μ+1 보다 작은, 즉 0 에서 μ의 샘플링 인덱스 간격을 가지는 상향 피크 신호 영역은 주변 배경 신호와 유사한 값으로 대체되어 제거된다. 하지만, 하향 피크 신호 영역에 대해서 검출부(110)는 μ+1 내에서 하향 피크 신호 영역이 갖는 최저점을 검출하고, 검출된 값을 연결하여 신호 파형을 생성한다. 이렇게 생성된 신호 파형은 제거하고자하는 상향 피크 및 하향 피크 신호 영역의 샘플링 인덱스 간격 중 최대 샘플링 인덱스 간격(본 예에서는 μ에 해당함)의 2배에 해당하는 샘플링 인덱스 간격(2μ)을 가지게 된다.

이와 같은 원리는 검출부(110)가 팽창 연산을 수행하는 경우에도 적용될 수 이으며, 다만, 침식 연산 수행시와 반대로, 팽창 연산 시에는 하향 피크 신호 영역이 제거되고, 상향 피크 신호 영역은 μ+1 내에서 상향 피크 신호 영역이 갖는 최고점을 검출되고, 검출된 최고점이 연결된 신호 파형이 생성된다.

한편, 검출부(110)는 모폴로지 연산이 1회 수행된 원 신호에 대해, 구조 요소의 크기를 재결정할 수 있다. 상술한 바와 같이, 모폴로지 연산이 1회 수행된 신호가 기저 대역에서 가지는 샘플링 인덱스 간격은 원 신호의 최대 샘플링 인덱스 간격에 의해 결정된다. 즉, 모폴로지 연산이 1회 수행된 신호의 상향 피크 또는 하향 피크 신호 영역은 원 신호의 상향 피크 및 하향 피크 신호 영역의 샘플링 인덱스 간격 중 최대 샘플링 인덱스 간격의 2배에 해당하는 간격을 가지게 된다.

따라서, 검출부(110)는 원 신호의 최대 샘플링 인덱스 간격에 2배를 한 값에 단위 샘플링 인덱스를 가산하여 구조 요소의 크기를 재결정할 수 있다.

또한, 검출부(110)는 재결정된 구조 요소의 크기를 적용하여, 원 신호에 대해 모폴로지 연산이 1회 수행된 신호에 대해 다시 한번 모폴로지 연산을 재수행할 수 있다. 이는, 모폴로지 연산이 1회 수행된 신호에 존재하는 상향 피크 신호 또는 하향 피크 신호를 제거하기 위함이며, 모폴로지 연산을 적용하는 방법은 앞에서 상세히 설명하였는바, 중복 설명은 생략한다.

앞선 예에서, 원 신호에 대해 침식 연산이 수행되면, 상향 피크 신호 영역은 제거되고, 2μ의 샘플링 인덱스 간격을 가지는 하향 피크 신호가 남는다. 이를 제거하기 위해, 검출부(110)는 2μ+1로 구조 요소의 크기를 재결정하고, 2μ+1의 구조 요소의 크기로 팽창 연산을 수행하여, 모폴로지 연산이 1회 수행된 신호에 존재하는 하향 피크 신호 영역을 제거할 수 있다.

이처럼, 검출부(110)는 모폴로지 연산이 1회 수행된 신호에 대해 구조 요소의 크기를 재결정하고, 재결정된 구조 요소를 적용하여 모폴로지 연산을 재수행함으로써, 원 신호에서 상향 피크 및 하향 피크 신호 영역을 모두 제거할 수 있게 된다. 이에 따라, 원 신호에서 상향 피크 및 하향 피크 신호 영역이 제거된 신호, 즉 원 신호의 기저 신호을 추정할 수 있게 되는 것이다.

제어부(120)는 원 신호에서 모폴로지 연산이 2회 수행된 신호를 제거할 수 있다. 구체적으로는, 모폴로지 연산이 2회 수행된 신호는 원 신호에서 상향 피크 및 하향 피크 신호 영역이 모두 제거된 신호, 즉 기저 신호를 의미하므로, 제어부(120)는 원 신호에서 기저 신호를 산술적 차를 이용하여 제거하여, 원 신호에서 상향 피크 및 하향 피크 신호 영역을 최종적으로 검출할 수 있게 된다.

한편, 상술한 실시 예에서, 원 신호는 본 잡음 제거 장치에 입력되는 입력 신호를 의미하는 것으로 상정하였으나, 이는 입력 신호뿐만 아니라 본 잡음 제거 장치에서 저장되어 있거나, 직접 측정한 신호도 포함됨은 물론이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치는 기저선 변동 잡음 신호가 포함된 모든 신호에 대해 적용할 수 있지만, 기저선 변동 잡음 신호가 포함된 심전도 신호를 일 예로 하여, 첨부된 도 4a 및 도 4b를 참조하여, 검출부(110)의 동작을 설명한다.

도 4a에서 실선으로 도시된 신호는 심전도 신호로서 상향 피크 신호 영역은 P파, R파 및 T파 신호 영역에 해당하며, 하향 피크 신호 영역은 Q파와 S파 신호 영역에 해당한다.

도 4a에 도시된 심전도 신호에서 P파, QRS-complex 및 T파 신호 영역 중 기저 대역에서 QRS-complex의 샘플링 인덱스 간격이 μ로 가장 크기 때문에, 검출부(110)는 최대 샘플링 인덱스 간격인 μ보다 큰 μ+1로 구조 요소의 크기를 결정할 수 있다.

이 후, 상향 피크 신호인 P, R, T파를 제거하기 위해 μ+1의 구조 요소로 침식 연산을 수행하면, 0 에서 μ의 간격을 가지는 상향 피크 신호는 제거되고, 하향 피크 신호 영역에 대해서는 구조 요소가 샘플링 축을 따라 이동하며, μ+1 간격 내에서 최저점을 검출하여 이들을 연결하는 신호를 생성하게 되므로, 도 4a에 도시된 점선과 같이, 하향 피크 신호 영역인 Q, S파는 잔존하며, 샘플링 인덱스 간격이 2μ가 된다.

이에 따라, 침식 연산 후 존재하는 하향 피크 신호 영역인 Q, S파를 제거하기 위해, 검출부(110)는 2μ+1로 구조 요소의 크기를 재설정하고, 재설정된 구조 요소를 적용하여 팽창 연산을 수행하여 하향 피크 신호 영역인 Q, S파도 제거할 수 있게 된다.

비록 상술한 실시 예에서는, 검출부(110)에서 침식 연산을 수행하고, 팽창 연산을 수행하는 것으로 상정하였으나, 이들은 순서가 바뀌어도 무방하다. 즉, 검출부(110)에서 하향 피크 신호를 먼저 제거하기 위해 팽창 연산을 먼저 수행하고, 그 후, 잔존하는 상향 피크 신호를 제거하기 위해 침식 연산을 수행할 수 있다. 이 경우에도, 검출부(110)는 팽창 연산을 위해 μ+1로 구조 요소의 크기를 결정하고, 침식 연산을 위해 2μ+1로 구조 요소의 크기를 재결정할 수 있다.

이에 따라, 심전도 신호에서 상향 피크 및 하향 피크 신호 영역을 모두 제거하여, 기저 신호를 추정할 수 있게 되는 것이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 5의 잡음 제거 장치에서, 도 3의 잡음 제거 장치와 동일한 동작을 수행하는 구성에 대해서는 중복 설명을 생략한다.

저장부(230)는 신호를 저장하는 기능을 수행한다. 구체적으로는, 본 잡음 제거 장치에 입력되는 신호, 검출부(210)에서 원 신호에 대해 모폴로지 연산이 복수 회 수행되어 도출된 신호 및 제어부(120)에서 검출한 원 신호의 상향 피크 및 하향 피크 신호에 대한 정보를 저장할 수 있다.

또한, 저장부(230)는 저장된 신호를 검출부(210) 및 제어부(220)에 전달할 수 있다.

디스플레이부(240)는 잡음 제거 장치에 의해 처리된 신호를 표시하는 동작을 수행한다. 구체적으로는, 제어부(220)에 의해 원 신호에서 모폴로지 연산이 2회 수행된 신호가 제거되면, 그 제거된 신호를 표시하는 동작을 할 수 있다.

또한, 디스플레이부(240)는 원 신호에서 모폴로지 연산이 2회 수행된 신호가 제거된 신호를 표시함에 있어, 일정한 크기의 신호를 인가하여 표시할 수도 있다.

일 예로, 모폴로지 연산이 2회 수행된 신호는 심전도 신호에서 추정된 기저 신호이므로, 심전도 신호에서 모폴로지 연산이 2회 수행된 신호를 제거하면, QRS-complex, P파 및 T파를 제외한 신호 영역은 신호 크기가 0으로 근사화된다. 따라서, 디스플레이부(240)는 심전도 신호에서 모폴로지 연산이 2회 수행된 신호가 제거된 신호에 bias값을 통해 DC 성 신호를 인가하여 표시함으로써, 보다 명확히 신호를 나타낼 수 있다.

이러한 디스플레이부(240)의 동작은 자동으로 수행되거나, 사용자의 설정에 의해 수행될 수 있다.

이하에서는, 첨부된 도 6a 내지 11c를 참조하여, 기저선 변동 잡음 신호가 포함된 심전도 신호를 일 예로 하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치의 시뮬레이션 결과를 설명한다.

여기서, 심전도 신호는 샘플링 주파수는 360Hz를 가지며, 각 심검자로부터 약 10분 동안 측정된 MIT/BIH 데이터베이스의 심전도 신호를 사용하였으며, 실험용 PC는 3.00GHz Core2 Duo CPU와 3GByte memory의 사양이며, Visual C++ 6.0 컴파일러를 사용하였다. 또한, 시간은 0.0028초를 주기로 표본화하여 나타내었으며, 각 도면 상에서 sampling index로 표현된다.

도 6a 내지 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치를 이용하여 심전도 신호에서 단조 증가의 형태를 가지는 기저선 변동 잡음을 추정하여 제거하는 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

도 6a 내지 도 6c는 단조증가의 형태를 띠는 로그함수를 이용하여 인위적 기저선 변동 잡음 신호를 생성 및 인가한 예를 나타낸다. 도 6a에 나타낸 심전도 원 신호의 크기는 약 -0.5~1의 범위를 가지므로 최소값과 최대값의 차이가 약 1.5이며, 인위적 기저선 변동 잡음 신호인 도 6b는 약 0.2~1.2의 범위에서 단조증가의 특성을 가진다. 도 6a 및 도 6b의 산술 합을 통해 도출된 인위적 기저선 변동 잡음 인가 신호는 도 6c와 같으며, 도 6a에 대하여 도 6b의 off-set신호를 가한 의미를 가진다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치를 이용하여 도 6c의 신호에 대하여 도출된 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

도 7a는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치에 따라 추정한 기저선 변동 잡음 신호를 나타낸다. 도 7b는 원 심전도 신호에서 추정된 기저선 변동 잡음 신호를 제거한 신호를 나타낸다. 이러한 기저선 변동 잡음 제거 신호는 도 6c와 도 7a의 산술 차를 이용하여 도 7b와 같이 나타낼 수 있다.

도 6b와 도 7a를 비교해보면, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치는 기저선 변동 잡음 신호를 우수하게 추정할 수 있음을 알 수 있으며, 일부 구간에서의 두 신호 간 차이는 심전도 원 신호인 도 6a가 가지는 미소한 기저선 변동 잡음과 전원 잡음 등에 의한 것으로서, 배제 가능한 수준의 값을 가진다. 또한 기저선 변동 잡음을 제거한 도 7b는 도 6a의 원 신호 크기 폭인 약 1.5의 값을 그대로 유지하면서, 기저선 변동 잡음이 효과적으로 제거되었음을 확인할 수 있다.

도 8a 내지 도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치를 이용하여 심전도 신호에서 졍현파 형태를 가지는 기저선 변동 잡음을 추정하여 제거하는 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

도 8a에 나타난 신호는 심전도 신호의 일 예로, 크기는 약 -0.5∼1의 범위를 가지므로 최소값과 최대값의 차이가 약 1.5이다. 또한, 도 8b에 나타난 신호는 인위적 기저선 변동 잡음 신호로서 -0.8∼0.8의 범위에서 10Hz의 주파수를 가진다. 그림 8c는 기저선 변동 잡음이 포함된 심전도 신호로서 도 8a와 8b의 산술 합을 통해 도출된다.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치를 이용하여 도 8c에 도시된 기저선 변동 잡음이 포함된 심전도 신호에 대해, 도출된 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 도 9a는 추정된 기저선 변동 잡음 신호를 나타내었으며, 도 9b는 0을 bias로 설정한 결과를 나타낸다.

도 7a 및 도 7b에서의 경우와 같이, 정현파 형태의 기저선 변동 잡음이 유입된 경우에도 제안한 방법이 이를 우수하게 추정할 수 있음을 도 9a를 통해 확인할 수 있다. 또한 기저선 변동 잡음 제거 신호인 도 9b에서 원 신호인 도 8a의 신호 크기 폭을 유지하면서, 정현파 특성의 기저선 변동 잡음만을 제거하였음을 알 수 있다.

도 10a 내지 도 10c는 1600개의 샘플 구간에 대하여 최대값과 최소값의 차가 약 0.2인 기저선 변동 잡음을 가지는 심전도 신호에 대해, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치를 사용한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

도 10a는 1600개의 샘플 구간에 대하여 최대값과 최소값의 차가 약 0.2인 기저선 변동 잡음을 가지는 심전도 신호를 나타내며, 도 10b는 추정한 기저선 변동 잡음 신호로서, 잡음 신호의 크기 폭이 약 0.2정도로 실제 잡음 폭과 유사한 수준임을 확인할 수 있다. 또한, 도 10c는 기저선 변동 잡음을 제거한 심전도 신호를 나타낸 그래프이며, 이를 통해 기저선 변동 잡음을 효과적으로 제거함을 알 수 있다. 특히 원 신호가 정상 심전도 신호와 달리 Q, S파가 정상 영역 대비 국부 최소값의 특성을 가지지 않은 경우에도, 결과 신호 상에서 Q, S파의 신호 왜곡이 발생되지 않았음을 도 10c를 통해 확인할 수 있다.

도 11a 내지 도 11c는 한 주기 상에서 기저선 변동 잡음이 증감을 반복하는 형태를 띤 경우의 심전도 신호에 대해, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 장치를 사용한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

도 11a는 P파, QRS-complex, T파로 구성되는 심전도 신호 주기에 대하여, 한 주기 상에서 기저선 변동 잡음이 증감을 반복하는 형태를 띤 경우의 심전도 신호를 나타내고 있으며, 이러한 경우는 정현파 형태의 기저선 변동 잡음이 유입된 형태로 간주할 수 있다. 도 11b는 추정된 기저선 변동 잡음 신호로서, 이를 통해 증감이 반복되는 형태의 기저선 변동 잡음이 유추됨을 확인할 수 있다. 또한, 도 11c는 도 11a에 도시된 신호에 대하여 기저선 변동잡음을 제거한 신호를 나타낸 것으로서, 한 주기 상에서 증감이 반복되는 형태의 기저선 변동 잡음도 효과적으로 제거할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 잡음 제거 방법을 구현하는 흐름도이다.

도 12에 따르면, 원 신호의 크기를 기준으로 상향 피크 신호 또는 하향 피크 신호를 제거하기 위해, 원 신호에 대해 모폴로지 연산을 수행한다(S310). 이를 위해, 원 신호의 상향 피크 신호 또는 하향 피크 신호의 샘플링 인덱스 간격 중 최대 샘플링 인덱스를 검출하고, 검출된 최대 샘플링 인덱스에 단위 샘플링 인덱스를 가산하여 구조 요소의 크기를 설정하여, 모폴로지 연산을 수행할 수 있다.

이 후, 모폴로지 연산 후 존재하는 상측 피크 신호 또는 하향 피크 신호를 제거하기 위해, 모폴로지 연산을 재수행한다. 모폴로지 연산이 재수행되면, 원 신호에서 상측 피크 신호 및 하향 피크 신호가 모두 제거되기 때문에, 이를 통해 원신호에서 기저 신호를 검출하는 있다(S320).

이 후, 원 신호로부터 검출된 기저 신호를 제거하여, 측정 대상 성분을 검출할 수 있다(S330).

한편, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

110, 210 : 검출부 120, 220 : 제어부
230 : 저장부 240 : 디스플레이부

Claims

신호의 잡음 제거 방법에 있어서,
입력 신호의 크기를 기준으로 제1 방향 피크를 제거하기 위해 제1 구조 요소를 이용하여 제1차 모폴로지 연산을 수행하고, 상기 제1 방향 피크의 반대 방향인 제2 방향 피크를 제거하기 위해 상기 제1 구조 요소의 크기에 따라 결정되며 상기 제1 구조 요소와 상이한 크기를 갖는 제2 구조 요소를 이용하여 제2차 모폴로지 연산을 수행하여, 기저 신호를 검출하는 단계; 및
상기 입력 신호로부터 상기 기저 신호를 제거하여, 측정 대상 성분을 검출하는 단계;를 포함하며,
상기 제1차 모폴로지 연산이 침식 연산이면 상기 제2차 모폴로지 연산은 팽창 연산이고, 상기 제1차 모폴로지 연산이 팽창 연산이면 상기 제2차 모폴로지 연산은 침식 연산이며,
상기 기저 신호를 검출하는 단계는,
상기 제1 방향 피크 및 상기 제2 방향 피크의 샘플링 인덱스(sampling index) 간격 중 최대 샘플링 인덱스 간격을 검출하는 단계;
상기 최대 샘플링 인덱스 간격에 단위 샘플링 인덱스를 가산하여 제1 간격을 결정하는 단계;
상기 제1 간격을 가지는 상기 제1 구조 요소를 이용하여 상기 입력 신호의 제1 방향에 대하여, 상기 제1차 모폴로지 연산을 수행하는 단계;
상기 최대 샘플링 인덱스 간격의 2배에 해당하는 샘플링 인덱스 간격에 단위 샘플링 인덱스를 가산하여 제2 간격을 결정하는 단계; 및
상기 제1차 모폴로지 연산의 결과신호의 제2 방향에 대하여, 상기 제2 간격을 가지는 상기 제2 구조 요소를 이용하여 상기 제2차 모폴로지 연산을 수행하는 단계;를 포함하며,
상기 제1차 모폴로지 연산의 결과 신호는, 상기 최대 샘플링 인덱스 간격의 2배에 해당하는 샘플링 인덱스 간격을 가지는 것을 특징으로 하는 잡음 제거 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1차 모폴로지 연산은,
(a1) 상기 입력 신호의 상기 제1 방향에 대해서 샘플링 축을 따라서 상기 제1 구조 요소를 적용하는 단계;
(b1) 상기 적용된 제1 구조 요소의 제1 간격 내에서, 상기 입력 신호 값의 최고점 및 최저점 중 어느 하나를 검출하는 단계;
(c1) 상기 제1 구조 요소를 상기 샘플링 축을 따라서 이동시키고 상기 (a1) 및 (b1) 단계를 반복 수행하면서, 상기 검출된 값들을 연결하여 신호 파형을 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잡음 제거 방법.
제3항에 있어서,
상기 제2차 모폴로지 연산은,
(a2) 상기 결과 신호의 상기 제2 방향에 대해서, 샘플링 축을 따라서 상기 제2 구조 요소를 적용하는 단계;
(b2) 상기 적용된 제2 구조 요소의 제2 간격 내에서, 상기 입력 신호 값의 최고점 및 최저점 중 다른 하나를 검출하는 단계;
(c2) 상기 제2 구조 요소를 상기 샘플링 축을 따라서 이동시키고 상기 (a2) 및 (b2) 단계를 반복 수행하면서, 상기 검출된 값들을 연결하여 신호 파형을 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잡음 제거 방법.
제1항에 있어서,
상기 입력 신호는,
샘플링 인덱스를 가로 축으로 하고, 크기를 세로축으로 하는 2차 도메인 상의 신호 파형으로 표시되고,
상기 제1 방향 피크는, 상기 세로 축 상에서 상측 및 하측 방향 중 어느 하나의 방향으로 돌출된 피크이며,
상기 제2 방향 피크는, 상기 세로 축 상에서 상기 상측 및 하측 방향 중 다른 하나의 방향으로 돌출된 피크인 것을 특징으로 하는 잡음 제거 방법.
신호의 잡음을 제거하는 잡음 제거 장치에 있어서,
입력 신호의 크기를 기준으로 제1 방향 피크를 제거하기 위해 제1 구조 요소를 이용하여 제1차 모폴로지 연산을 수행하고, 상기 제1 방향 피크의 반대 방향인 제2 방향 피크를 제거하기 위해 상기 제1 구조 요소의 크기에 따라 결정되며 상기 제1 구조 요소와 상이한 크기를 갖는 제2 구조 요소를 이용하여 제2차 모폴로지 연산을 수행하여, 기저 신호를 검출하는 검출부; 및,
상기 입력 신호로부터 상기 기저 신호를 제거하여, 측정 대상 성분을 검출하는 제어부;를 포함하며,
상기 제1차 모폴로지 연산이 침식 연산이면 상기 제2차 모폴로지 연산은 팽창 연산이고, 상기 제1차 모폴로지 연산이 팽창 연산이면 상기 제2차 모폴로지 연산은 침식 연산이며,
상기 검출부는,
상기 제1 방향 피크 및 상기 제2 방향 피크의 샘플링 인덱스(sampling index) 간격 중 최대 샘플링 인덱스 간격을 검출하고, 상기 최대 샘플링 인덱스 간격에 단위 샘플링 인덱스를 가산하여 제1 간격을 결정하며, 상기 제1 간격을 가지는 상기 제1 구조 요소를 이용하여 상기 입력 신호의 제1 방향에 대하여, 상기 제1 차 모폴로지 연산을 수행하고, 상기 최대 샘플링 인덱스 간격의 2배에 해당하는 샘플링 인덱스 간격에 단위 샘플링 인덱스를 가산하여 제2 간격을 결정하며, 상기 제1차 모폴로지 연산의 결과 신호의 제2 방향에 대하여, 상기 제2 간격을 가지는 상기 제2 구조 요소를 이용하여 상기 제2차 모폴로지 연산을 수행하며,
상기 제1차 모폴로지 연산의 결과 신호는, 상기 최대 샘플링 인덱스 간격의 2배에 해당하는 샘플링 인덱스 간격을 가지는 것을 특징으로 하는 잡음 제거 장치.
삭제
제6항에 있어서,
상기 제1 차 모폴로지 연산은,
(a1) 상기 입력 신호의 상기 제1 방향에 대해서 샘플링 축을 따라서 상기 제1 구조 요소를 적용하는 단계;
(b1) 상기 적용된 제1 구조 요소의 제1 간격 내에서, 상기 입력 신호 값의 최고점 및 최저점 중 어느 하나를 검출하는 단계;
(c1) 상기 제1 구조 요소를 상기 샘플링 축을 따라서 이동시키고 상기 (a1) 및 (b1) 단계를 반복 수행하면서, 상기 검출된 값들을 연결하여 신호 파형을 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잡음 제거 장치.
제8항에 있어서,
상기 제2 차 모폴로지 연산은,
(a2) 상기 결과 신호의 상기 제2 방향에 대해서, 샘플링 축을 따라서 상기 제2 구조 요소를 적용하는 단계;
(b2) 상기 적용된 제2 구조 요소의 제2 간격 내에서, 상기 입력 신호 값의 최고점 및 최저점 중 다른 하나를 검출하는 단계;
(c2) 상기 제2 구조 요소를 상기 샘플링 축을 따라서 이동시키고 상기 (a2) 및 (b2) 단계를 반복 수행하면서, 상기 검출된 값들을 연결하여 신호 파형을 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잡음 제거 장치.
제6항에 있어서,
상기 입력 신호는,
샘플링 인덱스를 가로 축으로 하고, 크기를 세로축으로 하는 2차 도메인 상의 신호 파형으로 표시되고,
상기 제1 방향 피크는, 상기 세로 축 상에서 상측 및 하측 방향 중 어느 하나의 방향으로 돌출된 피크이며,
상기 제2 방향 피크는, 상기 세로 축 상에서 상기 상측 및 하측 방향 중 다른 하나의 방향으로 돌출된 피크인 것을 특징으로 하는 잡음 제거 장치.