KR101498581B1 - 비침습적 심방신호 추정 시스템 및 방법 - Google Patents

비침습적 심방신호 추정 시스템 및 방법 Download PDF

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김경재
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김용균
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면 표면 심전도 신호를 센싱하는 복수의 센서, 상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호의 R파를 기준으로 추정 심실신호를 생성하고, 상기 하나의 센서로부터의 심전도 신호에서 상기 추정 심실신호를 빼서 참조 심방신호를 생성하는 참조 심방신호 생성부, 상기 수신된 표면 심전도 신호에, 상기 참조 심방신호를 기초로한 제한 독립신호분석(Constrained Independent Component Analysis) 알고리즘을 적용하여 추정 심방신호를 생성하고, 추정 심방신호 중에서 하나를 본 심방신호로 추정하는 심방신호 추정부를 포함하는 비침습적 심방신호 추정 시스템 및 이를 이용한 방법이 설명된다.

Description

비침습적 심방신호 추정 시스템 및 방법 {NONINVASIVE ATRIAL ACTIVITY ESTIMATION SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 표면 심전도에서 심방신호를 추출하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 비침습적 방법으로 측정한 심실신호와 심방신호가 섞여있는 다중리드표면 심전도에서 심방신호에 근접한 신호만을 추출하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
도1은 일반적인 심전도 파형을 나타낸다. 여기서 T파는 심실 탈분극(QRS파) 이후에 발생하는 심실 재분극 신호로서 매 격 주기마다 T파의 폭 또는 높이의 반복적 변화(교번현상)를 관찰하여 심근허혈, 급성 심근경색, 심근염, 심외막염, 심실비대, 심실부정맥 등의 질환을 예측한다. 이러한 심실 재분극 신호는 파형의 크기가 크고 육안으로 구별이 가능하여 널리 이용되고 있다.
심실 재분극과 마찬가지로, 심방 탈분극(P파) 이후에 발생하는 심방 재분극이 일어난다. 이러한 심방 재분극 신호(Ta)는 도1에 점선으로 표시되었다. 그러나 도1에 나타난 바와 같이 Ta 파는 파형의 크기가 작고 심실 탈분극 신호에 가려져 육안으로 식별하는 것이 어렵다.
그러나 Ta파의 폭 또는 높이의 변화(교번현상)를 뇌졸증, 심방세동, 심방성 부정맥, 심부전증, 허혈성 심질환의 예후인자로 사용할 수 있으므로, Ta파를 확인할 수 있는 방법이 요구된다. 일반적으로 Ta파를 확인하기 위해서는 침습형 방식을 사용하지만, 침습형 방식은 환자에게 무리가 가거나 절차가 복잡해지는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 극복하기 위해 표면 심전도 신호를 측정하여 비침습적으로 심방신호를 추출하고자 하는 경우, 일반적으로 신호 분리에 사용되는 독립성분분석(Independent component analysis) 방법이 사용될 수 있다. 독립성분분석 방법은 원신호들에 대한 사전 정보를 알지 못하는 상태에서 원신호들 사이의 상호 독립을 가정하고 관측된 혼합신호들로부터 원신호들을 분리할 수 있는 언믹싱(unmixing) 매트릭스를 찾아 원신호들에 최대한 가까운 신호들을 추정하는 방법이다.
그러나, 종래의 독립신호분석 기술을 이용할 경우, 분리된 각 신호가 의미하는 바가 무엇인지 알 수 없고, 분리된 각 신호의 스케일이 상이하여 각 신호를 비교하는 것이 용이하지 않은 문제점이 있다. 즉 일반적인 독립신호분석 알고리즘에 의하면 출력된 각 신호들 중에서 어느 신호가 심방신호인지 확인하기 위해 의사의 직관적 판단에 의존해야 하며, 출력된 각 신호들의 크기가 매우 상이하여 의사의 직관적 판단을 방해하는 문제점이 있다. 또한 특정 신호만을 얻고자 할 경우에도 알고리즘의 특성상 모든 신호들을 분리해야 하기 때문에 많은 계산량이 소요되는 문제가 있다. 이런 모든 이유로 인해 일반적인 독립신호분석 알고리즘은 본 발명의 적용 분야에는 적합하지 않다.
기존에는 표면 심전도에서 심방 신호만을 추출하기 위해 심실 신호 즉, QRST파형(도 1)의 앙상블 평균을 표면 심전도로부터 제거함으로써 심방 신호를 추정하는 평균 비트 제거법이 널리 사용되어 왔다. 그러나 평균 비트 제거법의 경우 고정된 QRST 파형을 각 심전도 주기에서 빼어 심방 신호를 추정하기 때문에 QRST 파형이 시간에 따라 변하는 경우 큰 잔여 오차를 유발하는 한계가 있다.
최근에는 이러한 문제를 해결하기 위해 주성분 분석 또는 특이값 분해 기법을 적용하여 심방 신호를 추정하는 시도가 있었다. 이 두 방법 모두 기존 평균 비트 제거 방법에 비해 작은 잔여 오차로 심방 신호를 추정할 수 있다. 그러나 분리된 결과에서 심방 신호에 해당하는 요소들을 찾아내거나 이들 요소를 이어 붙여 심방 신호를 복원해 낼 때 발생하는 신호 불연속성 문제를 해결하기 위해서는 신호의 통계적 특성을 고려한 후처리 과정이 필요하며, 후처리를 하더라도 불연속성 문제 보상 시 발생하는 오차는 매우 작은 크기의 P- Ta파형을 왜곡할 수 있다.
최근 홀터 심전계에서 적응 필터를 사용해 간단하게 심방신호를 추출하는 방법이 제안되었다. 제안된 방법을 통해 추출된 심방신호에서 P파의 지연 시간을 계산하고 발생 빈도를 계수하여 심방세동의 여부를 효과적으로 진단할 수 있다. 그러나 추출된 심방 신호는 심방세동 진단을 위한 신호이지, 원 심방신호에 근접한 신호라고는 보기 어렵다. 따라서 상기 신호는 심방세동이 발생했다는 지표는 될 수 있으나 예후 인자로 사용될 수 있는 정보들을 추출하기에는 한계가 있다.
특허출원공개 10-2012-0133793 미국특허공개 US2011/0144705 A1 미국등록특허 US 6615075 B2
J. Lee, et al., Med. Biol. Eng. Comput. (2012) Event synchronous adaptive filter based atrial activity estimation in single-lead atrial fibrillation electrocardiograms
위와 같은 문제점을 극복하기 위해서 비침습적으로 표면 심전도 신호에서 Ta파를 포함하는 심방신호를 결정하고, 원 심방신호와 최대한 유사한 형태의 심방신호를 추출하는 것이 요구된다.
일 실시예에서 비침습적 심방신호 추정 시스템은, 표면 심전도 신호를 센싱하는 복수의 센서, 상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호의 R파를 기준으로 추정 심실신호를 생성하고, 상기 하나의 센서로부터의 심전도 신호에서 상기 추정 심실신호를 빼서 참조 심방신호를 생성하는 참조 심방신호 생성부, 상기 수신된 표면 심전도 신호에, 상기 참조 심방신호를 기초로 한 제한 독립신호분석(cICA; constrained Independent Component Analysis) 알고리즘을 적용하여 추정 심방신호를 생성하고, 추정 심방신호 중에서 하나를 본 심방신호로 추정하는 심방신호 추정부를 포함한다.
또는 일 실시예에서, 상기 심방신호 추정부는, 네겐트로피 대비 함수(negentropy contrast function)를 이용하여 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 적용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 상기 심방신호 추정부는, 상기 수신된 표면 심전도 신호에 제한 독립신호분석 알고리즘을 적용하여 복수의 심전도 신호를 각각 추출하고, 추출된 복수의 심전도 신호와 상기 참조 심방신호의 유사척도치(closeness measure)를 계산하고, 계산된 유사척도치가 최적인 심전도 신호를 상기 추정 심방신호로 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 상기 심방신호 추정부는, 상기 추정 심방신호를 입력으로 하여 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 반복적으로 적용하되, 상기 유사척도치가 최적화 될 때까지 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 반복하여 최종 추정 심방신호를 상기 본 심방신호로 추정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 상기 심방신호 추정부는, 유클리디언 거리(Euclidean distance)을 이용하여 상기 유사척도치를 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 상기 심방신호 추정부는, 상기 복수의 심전도 신호 각각에 대한 평균의 제곱은 동일한 것을 조건으로 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 적용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 상기 참조 심방신호 생성부는, 이벤트 동기화된 적응필터를 이용하여 상기 추정 심실신호를 생성하되, 상기 이벤트 동기화된 적응필터는 상기 R파에 동기화된 임펄스 신호를 상기 수신된 표면 심전도 신호에 적용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호는, 표준유도 Ⅱ 또는 흉부유도 V1에 대한 센서로부터의 심전도 신호인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따른 비침습적 심방신호 추정방법은, 복수의 센서로부터 표면 심전도 신호를 수신하는 단계, 상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호의 R파를 기준으로 추정 심실신호를 생성하고, 상기 하나의 센서로부터의 심전도 신호에서 상기 추정 심실신호를 빼서 참조 심방신호를 생성하는 단계, 상기 수신된 표면 심전도 신호에, 상기 참조 심방신호를 기초로한 제한 독립신호분석 알고리즘을 적용하여 추정 심방신호를 생성하고, 추정 심방신호 중에서 원 심방신호에 최대한 가까운 심방신호를 추출하는 단계를 포함한다.
또는 일 실시예에서, 상기 방법은 상기 제한 독립신호분석 알고리즘은 네겐트로피 대비 함수를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 상기 본 심방신호를 추정하는 단계는, 상기 수신된 표면 심전도 신호에 제한 독립신호분석 알고리즘을 적용하여 복수의 심전도 심방신호를 각각 추출하는 단계, 추출된 복수의 신전도 신호와 상기 참조 심방신호의 유사척도치를 계산하는 단계 및 계산된 유사척도치가 최적인 심전도 신호를 상기 추정 심방신호로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 상기 본 심방신호로 추정하는 단계는, 상기 추정 심방신호를 입력으로 하여 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 반복적으로 적용하되, 상기 유사척도치가 최적화 될 때까지 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 반복하여 최종 심방 신호를 상기 본 심방신호로 추정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 상기 유사척도치는 유클리디언 거리등의 방법을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 상기 제한 독립신호분석 알고리즘은, 상기 복수의 심전도 신호 각각에 대한 평균의 제곱은 동일한 것을 조건으로 적용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 상기 참조 심방신호를 생성하는 단계는, 이벤트 동기화된 적응필터를 이용하여 상기 추정 심실신호를 생성하되, 상기 이벤트 동기화된 적응필터는 상기 R파에 동기화된 임펄스 신호를 상기 수신된 표면 심전도 신호에 적용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호는, 표준유도Ⅱ 또는 흉부유도V1에 대한 센서로부터의 심전도 신호인 것을 특징으로 할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호의 R파를 기준으로 추정 심실신호를 생성하고, 상기 하나의 센서로부터의 심전도 신호에서 상기 추정 심실신호를 빼기전의 심실 신호를 본 심실신호로 추정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 제한 독립신호분석(Constrained independent component analysis) 기반의 방법을 사용하여 표면 심전도 신호에서 본 심방신호와 가장 유사한 심방신호를 추정할 수 있다. 이렇게 추정된 심방신호를 이용하여 심방관련 질환을 예측하는 예후인자로서 활용할 수 있다. 또한 더 발전되어서는 심방신호와 심방질환과의 연관성을 찾아 심방세동 환자의 관리, 고위험군의 색출, 심방세동 치료에 대한 판정 등에 광범위하게 적용될 수도 있다.
도1은 일반적인 심전도 파형을 나타내는 도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습적 심방신호 추정 시스템의 구성도이다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱대상이 되는 심전도 신호의 위치를 설명하기 위한 도이다.
도4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 심방신호 추정 시스템의 기능을 설명하기 위한 도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 참조심방신호 생성부(122)의 기능을 설명하기 위한 블록도이다.
도5a 내지 도5d는 도4b의 각 단계에서 예시적인 심전도 신호의 파형을 나타내는 그래프이다.
도6는 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습적 심방신호 추정방법의 순서도이다.
도7a 및 도7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습적 심방신호 추정 시스템 또는 추정 방법에 따라 추정된 심방신호를 설명하기 위한 그래프이다.
도8a는 표준유도 I, II 및 흉부유도 V1, V6에 대한 심전도 측정결과이고, 도8b는 단상성 활동전위(Monophasic action potential) 신호를 나타내고, 도8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치 또는 방법으로 추정된 심방신호를 나타낸다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시 된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
본 명세서에 기술된 실시예는 전적으로 하드웨어이거나, 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어이거나, 또는 전적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 본 명세서에서 "부(unit)", "모듈(module)", "장치" 또는 "시스템" 등은 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 또는 소프트웨어 등 컴퓨터 관련 엔티티(entity)를 지칭한다. 예를 들어, 본 명세서에서 부, 모듈, 장치 또는 시스템 등은 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체(object), 실행 파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program), 및/또는 컴퓨터(computer)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 컴퓨터에서 실행중인 애플리케이션(application) 및 컴퓨터의 양쪽이 모두 본 명세서의 부, 모듈, 장치 또는 시스템 등에 해당할 수 있다.
실시예들이 도면에 제시된 순서도를 참조로 하여 설명되었다. 간단히 설명하기 위하여 상기 방법은 일련의 블록들로 도시되고 설명되었으나, 본 발명은 상기 블록들의 순서에 한정되지 않고, 몇몇 블록들은 다른 블록들과 본 명세서에서 도시되고 기술된 것과 상이한 순서로 또는 동시에 일어날 수도 있으며, 동일한 또는 유사한 결과를 달성하는 다양한 다른 분기, 흐름 경로, 및 블록의 순서들이 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 방법의 구현을 위하여 도시된 모든 블록들이 요구되지 않을 수도 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 일련의 과정들을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수도 있으며, 상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수도 있다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습적 심방신호 추정 시스템의 구성도이다. 도2를 참조하면 비침습적 심방신호 추정 시스템(100)은 센서(110), 프로세서(120), 및 표시부(130)를 포함할 수 있다.
센서(110)는 심전도 검사 대상이 되는 환자의 신체에 부착되어 표면 심전도 신호를 센싱할 수 있는 임의의 장치이다. 예컨대 센서(110)는 다수의 전극이고, 환자의 심장 주변에 부착되어 비 침습적으로 심전도 신호를 측정할 수 있다. 다수의 리드가 사용되는 경우 서로 다른 위치에서 다수의 심전도 신호가 측정된다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱대상이 되는 심전도 신호의 위치를 설명하기 위한 도이다.
도3a를 참조하면 사지유도(Extremity lead) 및 표준유도(Standard lead)를 나타내고, 도3b는 흉부유도(Precordial lead)를 나타낸다. 사지유도는 전극을 오른손, 왼손 및 왼발에 연결하여 단극유도로 심전도를 기록하며 전극이 부착된 부위는 양극으로 작용한다. 단극 사지유도로 기록되는 심전도 파형은 크기가 작기 때문에 임상적으로 심전도 파형 50%를 증폭한 aVR, aVL, aVF를 사용한다(a는 증폭(augmented)되었음을 의미함). 표준 유도는 전극을 오른손, 왼손 및 왼발에 연결하여 양극유도로 심전도를 기록하며 오른발에 연결한 전극은 접지로 작용한다. 여기서 유도 II 는 오른손과 왼발의 전위차에 의해 기록된다. 그리고 흉부유도는 심장과 가까운 부위에서 심전도를 기록하는 방식으로 V1과 V2는 우심실 부위에, V3과 V4는 심실중격부위에, V5와 V6은 좌심실부위에 있다.
상기 유도 중에서 표준유도II와 흉부유도V1에서 심방신호가 가장 크게 측정되기 때문에, 심전도 측정의 위한 다수의 센서 중에서 적어도 하나는 표준유도 II 또는 흉부유도 V1에 부착되어 심전도 신호를 센싱할 수 있다.
프로세서(120)는 센서(110)로부터 수신한 표면 심전도 신호를 분석하여 심방신호를 추정할 수 있다. 예컨대 프로세서(120)는 임의의 정보처리기능을 가진 중앙처리장치(CPU)일 수 있다. 설명의 단순화를 위해 하기에서는 표면 심전도 신호를 심전도 신호로 설명하도록 한다.
일 실시예에서 프로세서(120)는 참조심방신호 생성부 및 심방신호 추정부를 포함할 수 있다.
표시부(130)는 프로세서(120)가 추정한 심방신호를 시각적으로 표시할 수 있는 임의의 디스플레이 기기로서, LCD, OLED, PDP. LED 장치일 수 있다.
이하에서는 프로세서(120)가 센서(110)로부터 수신한 심전도 신호를 분석하여 필요한 심방신호를 추정하는 기능에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.
도4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 심방신호 추정 시스템의 기능을 설명하기 위한 도이다. 도4a를 참조하면 프로세서(120)는 심방신호 추정부(121) 및 참조심방신호 생성부(122)를 포함한다.
그리고 다수의 센서로부터 심방신호 추정부(121)로 다수의 심전도 신호(x1 ~ xn)가 입력되고, 다수의 심전도 신호 중 적어도 하나의 심전도 신호(예컨대 x1)가 참조심방신호 생성부(122)로 입력된다.
참조심방신호 생성부(122)는 입력된 심전도 신호를 전처리(preprocessing)하여 심방신호 추정부(121)에 참조 심방신호를 제공할 수 있다. 심방신호 추정부(121)는 다수의 심전도 신호 및 참조심방신호를 기초로 심방신호를 추정하고, 추정된 심방신호를 출력할 수 있다. 상기 출력된 심방신호(y)는 표시부(130)로 전달될 수 있다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 참조심방신호 생성부(122)의 기능을 설명하기 위한 블록도이다. 상술한 바와 같이 다수의 심전도 신호 중 적어도 하나의 심전도 신호가 참조심방신호 생성부(122)에 입력될 수 있으며, 바람직하게는 하나의 심전도 신호가 입력될 수 있다. 그리고 입력되는 심전도 신호는 표준유도 II 또는 흉부유도V1에서의 심전도 신호일 수 있다.
참조 심방신호 생성부(122)는 상기 복수의 센서 중 하나의 센서(예컨대 전극)로부터의 심전도 신호의 R파를 기준으로 추정 심실신호를 생성하고, 상기 하나의 센서로부터의 심전도 신호에서 상기 추정 심실신호를 빼서 참조 심방신호를 생성할 수 있다.
참조심방신호 생성부(122)에서 출력되는 참조 심방신호는 원 심방신호와 높은 상관도를 가질수록 추정 심방신호가 실제 심방신호와 더 유사할 수 있다. 따라서 참조 심방신호 생성부(122)는 다중 리드 심전도 중 비교적 심방신호가 가장 크게 측정되는 단일 리드 심전도 신호(예: II 또는 V1)에 이벤트 동기화된 적응 필터(ESAF; event synchronized adaptive filter)를 적용하여 참조 심방신호를 추출한다.
구체적으로 참조심방신호 생성부(122)는 추정 심실신호를 생성하기 위해서, 하기의 수학식 1 내지 수학식3을 이용할 수 있다.
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Figure 112013103343103-pat00002
Figure 112013103343103-pat00003
상기 수학식에서 t 는 시간, tR -은 심전도 신호에서 R파가 발생하는 시간(위치), tQ, tT는 Q파 및 T파의 발생하는 시간을 나타낸다. 그리고 c(t)는 QRST 파형의 이벤트와 동기화된 임펄스열 신호이고, x1(t)는 복수의 센서 중 어느 하나의 센서에서 측정된 심전도 신호이고, xv(t)는 추정 심실신호이고, r(t)는 참조심방신호이다. 또한 적응필터의 계수h(t)는 최소평균제곱(least-mean-squares; LMS)알고리즘으로 학습되어 적응필터의 출력단에서는 추정 심실신호가 출력되고(즉, 수학식 2의 결과) 최종적으로는 참조 심방신호가 출력된다(즉, 수학식 3의 결과).
여기서, 참조 심방신호 생성부(122)는 QRST 파형의 길이(L=tT-tQ+1여기서, tT 와 tQ 는 Q파와 T파의 위치)와 R파의 위치(tR)를 일반적으로 널리 사용되는 Pan-Tompkins의 QRST파 검출 알고리즘을 통해 얻을 수 있다.
도4b를 참조하면 수신된 심전도 신호에 대하여 R파 이벤트가 검출되고(41) 검출된 R 파 이벤트에 대하여 적응필터(43)를 거쳐서 추정 심실신호(xv(t))가 출력된다, 그리고 x1(t)가 시간 딜레이(42)되어 동일한 시간에 x1(t)에서 xv(t)를 뺌으로써 참조 심방신호r(t)가 출력될 수 있다.
도5a 내지 도5d는 도4b의 각 단계에서 예시적인 심전도 신호의 파형을 나타내는 그래프이다. 도4b의 각 단계는 식별기호(a 내지 d)는 도5 a 내지 5d에 대응된다.
도5a는 다수의 심전도 신호 중에서 참조심방신호 생성부(122)에 입력되는 어느 하나의 전극에서 측정된 심전도 신호(여기서는 박스로 표시된 x1)를 나타낸다. 도5b는 R파 이벤트 검출된 심전도 신호를 나타내고, 도5c는 이벤트동기화적응필터를 통과한 추정 심실신호 xv(t)를 나타내고, 도5d는 x1 에서 xv를 뺀 참조 심방신호를 나타낸다.
이와 같이 참조심방신호 생성부(122)는 하나의 센서에서 측정된 표면 심전도 신호를 기초로 참조 심방신호를 생성하여 심방신호 추정부(121)에 제공할 수 있다.
심방신호 추정부(121)는 수신한 참조 심방신호와 상기 수신된 표면 심전도 신호를 기초로 한 제한 독립신호분석 알고리즘을 적용하여 원 심방신호에 최대한 가까운 심방신호를 추출할 수 있다.
일반적인 독립신호분석 알고리즘을 이용할 경우, 분리된 각 신호가 의미하는 바가 무엇인지 알 수 없고, 분리된 각 신호의 스케일이 상이하여 각 신호를 비교하는 것이 용이하지 않은 문제점이 있다. 즉 일반적인 독립신호분석 알고리즘에 의하면 출력된 각 신호들 중에서 어느 신호가 심방신호인지 확인하기 위해 의사의 직관적 판단에 의존해야 하며, 출력된 각 신호들의 크기가 매우 상이하여 의사의 직관적 판단을 방해하는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 심방신호 추정부(121)는 참조심방신호가 적용된 제한 독립신호분석 알고리즘의 출력이 심방신호에 최대한 유사한 신호로 추정되도록 최적화 과정을 소정의 수렴 문턱치(threshold)를 만족할 때까지 반복한다. 상기 수렴 문턱치는 출력된 추정 심방신호와 참조 심방신호로부터 얻어진 유사척도치(closeness measure)를 기준으로 판단될 수 있다.
예컨대, 상기 심방신호 추정부(121)는 상기 수신된 표면 심전도 신호에 독립신호분석 알고리즘을 적용하여 복수의 심전도 신호를 각각 추출하는 과정 중에 다음과 같은 절차를 포함시킴으로 심방신호를 추정한다. 심방신호 추정부(121)는 먼저 추출된 복수의 심전도 신호와 상기 참조 심방신호와의 차이를 유사척도치로 설정하고, 계산된 유사척도치가 최적인 심전도 신호를 추정 심방신호로 결정할 수 있다. 심방신호 추정부(121)는 상기 과정을 최적의 언믹싱 벡터를 찾기까지 반복 수행하면 최종적으로 본 심방신호로 추정할 수 있다.
이하에서는 심방신호 추정부(121)의 구체적인 동작에 대하여 설명하도록 한다.
심방신호 추정부(121)는 다수의 전극을 통해 얻어진 심전도 신호에서 원하는 심방신호에 최대한 가까운 신호만을 추출하기 위해 언믹싱 벡터 w를 구해야 하고 이를 위해 이벤트동기화된적응필터를 통해 추출된 참조 심방신호를 사용한다.
먼저 잡음이 없는 환경에서 M개의 독립된 원 신호들(s(t) 여기서, t= 1,2,...T 이고 T는 신호의 길이)이 N 개의 채널을 통해 섞여 측정되는 선형 모델은 아래의 수학식 4와 같다.
Figure 112013103343103-pat00004
수학식 4에서 A는 NxM의 크기를 갖는 믹싱 매트릭스이고 x(t)는 믹싱 매트릭스에 의해 섞인 신호, 즉 센서에서 측정되는 신호들이다. 일반적인 독립성분분석에서는 원 신호에 최대한 가까운 M개의 신호들인 s(t)로 분리할 수 있는 수학식 5의 MxN 언믹싱 매트릭스 W를 찾는 것이 목적이다.
Figure 112013103343103-pat00005
상기 심방신호 추정부(121)에는 추정 심방신호를 생성하기 위한 방법으로 네겐트로피 대비 함수(negentropy contrast function)를 이용한 독립신호분석 알고리즘을 적용할 수 있다. 이를 위해 원신호를 추정하기 위한 네겐트로피 대비 함수가 M개의 최적화 해 wi(i=1,2,..M)를 갖고 있다고 가정하며, 추가적으로 추정 심방신호(y(t)=wM T x(t), 여기서 y(t)는 s(t) 중 제한 독립성분분석으로 구하고자 하는 M번째 원소)와 참조 심방신호 사이의 유사척도치를 ε(y(t), r(t))로 정의하여 적용한다.
추정 심방신호y(t)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제한 독립신호분석 알고리즘에 의해 출력된 심방신호로서, 추정 심방신호y(t)는 다시 입력이 되어 제한된 독립신호분석 알고리즘에 입력되어, 최적화 과정이 반복되며, 상기와 같은 반복에 따라 적절한 수준에서의 출력된 추정 심방신호를 본 심방신호로 추정할 수 있다. 심방신호 추정부(121)는 유사척도치를 유클리디언 거리(Euclidean distance)로 계산할 수 있다.
또한 원신호가 선형적으로 혼합된 측정신호들을 x(t)라 고할 때, 수학식 6을 만족한다.
Figure 112013103343103-pat00006
수학식 6에서 w*는 언믹싱 벡터 wM의 최적 언믹싱 벡터이고, wj(j=1,2,...M-1)는 원하지 않는 나머지 신호에 대한 최적 언믹싱 벡터들이다. 또한 최적화 과정의 반복 횟수를 제한하고, 심전도 신호에서 심방신호를 추출하기 위한 문턱치(ζ)는 수학식 7로 정의될 수 있다.
Figure 112013103343103-pat00007
이때, 최적화해
Figure 112013103343103-pat00008
를 구하기 위한 부등식 제약조건(inequality constraint)은 수학식 8과 같다.
Figure 112013103343103-pat00009
수학식8을 제약조건으로 목적함수인 네겐트로피 대비함수와 함께 사용하면 원하는 출력을 얻기 위한 최적화 공식은 수학식 9와 같이 나타날 수 있다.
Figure 112013103343103-pat00010
수학식9에서 E는 평균, G는 비이차(nonquadratic) 함수, v(t)는 영평균, 단일분산을 갖는 가우시안 변수, f(w)는 출력이 단일분산을 갖도록 제한하는 등식 제약조건(equality constraint), J(y)는 제한 독립성분분석 알고리즘에서 최적화하고자 하는 목적함수이다. 즉 상기 부등식 제약조건에 의해 원하는 신호(심방신호)만 추출할 수 있고, 등식 제약조건에 의해 출력 신호들의 스케일을 통일할 수 있다.
그러나 최적화 알고리즘이 수렴하기 위한 정확한 문턱치를 찾는 것은 쉽지 않으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 심방신호 추정부(121)는 적절한 문턱치를 찾는 대신 역으로 유사척도치의 최대치를 구하기 위한 최적화 방법을 수학식 9에 적용한 수학식 10을 이용할 수 있다.
Figure 112013103343103-pat00011
수학식 10에서는 수학식 9에서와 같이 부등식 제약조건을 사용하지 않고, 등식 제약조건 하에서 J(w)와 K(w)의 최대치를 구하기 위한 최적화 방법을 교대로 적용한다. 여기서 J(w), K(w)는 제한 독립성분분석 알고리즘에서 최적화하고자 하는 목적함수들이다.
또한, 참조 신호로 임펄스 신호를 사용할 경우, 원신호와 다른 문제로 인해 제한 독립성분분석 알고리즘의 수렴성이 보장되지 않을 수 있으며 같은 표본화 주파수를 갖는 신호가 섞여있을 경우, 또는 표본화 주파수가 경우에 따라 변하는 상황에서는 적용할 수 없다는 문제가 있으므로, 심방신호 추정부(121)는 상술한 바와 같이 이벤트 동기화된 적응 필터를 적용하여 출력된 참조 심방신호를 이용하게 된다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습적 심방신호 추정방법의 순서도이다. 도6을 참조하면, 비침습적 심방신호 추정방법은 복수의 센서로부터 표면 심전도 신호를 수신하는 단계(S1), 상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호의 R파를 기준으로 추정 심실신호를 생성하고, 상기 하나의 센서로부터의 심전도 신호에서 상기 추정 심실신호를 빼서 참조 심방신호를 생성하는 단계(S2), 상기 수신된 표면 심전도 신호에, 상기 참조 심방신호를 기초로 한 제한 독립신호분석 알고리즘을 적용하여 원 심방신호에 최대한 가까운 심방신호를 추출하는 단계(S3)를 포함한다.
일 실시예에서 상기 제한 독립신호분석 알고리즘에 사용되는 목적함수는 네겐트로피 대비 함수를 이용할 수 있다.
또한 상기 본 심방신호를 추정하는 단계(S3)는, 상기 수신된 표면 심전도 신호에 제한 독립신호분석 알고리즘을 적용하여 복수의 심전도 심방신호를 각각 추출하는 단계, 추출된 복수의 심전도 신호와 상기 참조 심방신호의 유사척도치를 계산하는 단계 및 최적의 유사척도치를 가진 심전도 신호를 상기 추정 심방신호로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 본 심방신호로 추정하는 단계(S3)는, 상기 추정 심방신호를 입력으로 하여 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 반복적으로 적용하되, 상기 유사척도치가 최적화 될 때까지 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 반복하여 최종 심방 신호를 상기 본 심방신호로 추정할 수 있다.
또한 상기 유사척도치는 유클리디언 거리등의 수단을 이용하여 계산될 수 있고, 상기 제한 독립신호분석 알고리즘은, 상기 복수의 심전도 신호 각각에 대한 평균의 제곱은 동일한 것을 조건으로 적용될 수 있다.
또한 상기 참조 심방신호를 생성하는 단계(S2)는, 이벤트 동기화된 적응필터를 이용하여 상기 추정 심실신호를 생성하되, 상기 이벤트 동기화된 아 적응필터는 상기 R파에 동기화된 임펄스 신호를 상기 수신된 표면 심전도 신호에 적용할 수 있다. 또한 상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호는, 표준유도 Ⅱ 또는 흉부유도 V1에 대한 센서로부터의 심전도 신호일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습적 심방신호 추정 방법은 상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호의 R파를 기준으로 추정 심실신호를 생성하고, 상기 하나의 센서로부터의 심전도 신호에서 상기 추정 심실신호를 빼기전의 심실 신호를 본 심실신호로 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 비침습적 심방신호 추정방법은 상술한 비침습적 심방신호 추정 시스템에 대한 설명을 참조하여 보충될 수 있으며, 비침습적 심방신호 추정 시스템에 의해서 실행될 수 있다.
도7a 및 도7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습적 심방신호 추정 시스템 또는 추정 방법에 따라 추정된 심방신호를 설명하기 위한 그래프이다. 도7a는 표준유도 I, II 및 흉부유도 V1, V6에서 측정된 표면 심전도를 나타내고, 도 7b는 심전도 신호 및 추정된 심방신호를 나타낸다.
도7a 및 7b의 그래프에서 x축 단위는 msec이고 y축 단위는 전압이다. 2,000Hz의 속도로 표면 심전도가 측정되었다. 도7b에서 점선으로 표시된 것은 흉부유도 V1에서의 심전도이고 굵은 실선은 추정된 심방신호를 나타낸다. 도7b를 참조하면 P 및 Ta를 포함하는 심방신호가 추출되었음을 확인할 수 있다.
도8a는 표준유도 I, II 및 흉부유도 V1, V6에 대한 심전도 측정결과이고, 도8b는 단상성 활동전위 신호를 나타내고, 도8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치 또는 방법으로 추정된 심방신호를 나타낸다.
도8a는 분리된 심방신호에서 Ta파의 교번을 관찰하기 위하여 전도자극절제술로 심방세동시술이 완료된 심방세동환자에게 심방 페이싱(Pacing)을 400msec로 하는 상태에서 2,000Hz로 측정한 표면심전도 신호(I, II, V1, V6)를 나타낸다. 도8b는 도8a와 동일한 조건에서 측정된 것이고, 전기도자절제술로 침습적으로 심방내부에 삽입한 전기도자로부터 취득한 심방 단상성 활동 전위를 나타낸다. 도8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도8b의 V1의 심전도 신호로부터 참조 심방신호를 추출하여 추정된 심방신호를 나타낸다. 도8a 내지 8c에서 x축 단위는 msec이고 y축 단위는 전압이다.
도8b의 그래프에서 홀수 번째(①③⑤⑦⑨)의 지속시간(237~297msec)은 상대적으로 짧고 짝수 번째(②④⑥⑧⑩)의 지속시간(337~381msec)은 길어서 교번되고 있음을 확인하였다. 이러한 심방 및 심실의 단상성 활동 전위 지속시간의 교번은 각각 심방세동 및 심실세동과 관련이 있다.
도8c의 그래프에서, Ta파는 점선으로된 원으로 표현되어 있다. 그림에서 Ta파의 파형이 홀수 번째(①③⑤⑦⑨)는 상대적으로 평평하며 짝수 번째(②④⑥⑧⑩)는 상대적으로 아래로 볼록함을 보여주고 있어서 교번되고 있음을 확인하였다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면 Ta파를 나타내는 심방신호를 추정하여 심방세동을 진단하고 예측할 수 있다.
상술한 심방신호 추정 시스템 및 방법은 하드웨어로 제작이 가능하며 또는 심실신호 진단을 위한 기존의 기기에 소프트웨어 형식으로 추가되어 적용될 수도 있다. 또한 심전도 센싱 시스템이 구비된 모바일 기기에서 이용될 수도 있을 것이다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 표면 심전도 신호를 센싱하는 복수의 센서;
    상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호의 R파를 기준으로 추정 심실신호를 생성하고, 상기 하나의 센서로부터의 심전도 신호에서 상기 추정 심실신호를 빼서 참조 심방신호를 생성하는 참조 심방신호 생성부;
    상기 센싱된 표면 심전도 신호에, 상기 참조 심방신호를 기초로 한 제한 독립신호분석(cICA; constrained Independent Component Analysis) 알고리즘을 적용하여 추정 심방신호를 생성하고, 추정 심방신호 중에서 하나를 본 심방신호로 추정하는 심방신호 추정부를 포함하는 비침습적 심방신호 추정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 심방신호 추정부는,
    네겐트로피 대비 함수(negentropy contrast function)를 이용하여 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 적용하는 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 심방신호 추정부는,
    상기 센싱된 표면 심전도 신호에 제한 독립신호분석 알고리즘을 적용하여 복수의 심전도 신호를 각각 추출하고, 추출된 복수의 심전도 신호와 상기 참조 심방신호의 유사척도치(closeness measure)를 계산하고, 계산된 유사척도치에 근거하여상기 참조 심방신호와 가장 유사하다고 판단된 심전도 신호를 상기 추정 심방신호로 결정하는 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 심방신호 추정부는,
    상기 추정 심방신호를 입력으로 하여 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 반복적으로 적용하되,
    상기 유사척도치가 소정의 수렴 문턱치를 만족할 때까지 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 반복하여 최종 추정 심방신호를 상기 본 심방신호로 추정하는 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 심방신호 추정부는,
    유클리디언 거리(Euclidean distance)을 이용하여 상기 유사척도치를 계산하는 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 심방신호 추정부는,
    상기 복수의 심전도 신호 각각에 대한 평균의 제곱은 동일한 것을 조건으로 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 적용하는 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 참조 심방신호 생성부는,
    이벤트 동기화된 적응필터를 이용하여 상기 추정 심실신호를 생성하되,
    상기 이벤트 동기화된 적응필터는 상기 R파에 동기화된 임펄스 신호를 상기 센싱된 표면 심전도 신호에 적용하는 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호는,
    표준유도 Ⅱ 또는 흉부유도 V1에 대한 센서로부터의 심전도 신호인 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 시스템.
  9. 복수의 센서로부터 표면 심전도 신호를 수신하는 단계;
    상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호의 R파를 기준으로 추정 심실신호를 생성하고, 상기 하나의 센서로부터의 심전도 신호에서 상기 추정 심실신호를 빼서 참조 심방신호를 생성하는 단계;
    상기 수신된 표면 심전도 신호에, 상기 참조 심방신호를 기초로한 제한 독립신호분석 알고리즘을 적용하여 추정 심방신호를 생성하고, 추정 심방신호 중에서 원 심방신호에 최대한 가까운 심방신호를 추출하는 단계를 포함하는 비침습적 심방신호 추정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제한 독립신호분석 알고리즘은 네겐트로피 대비 함수를 이용하는 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 원 심방신호에 최대한 가까운 심방신호를 추정하는 단계는,
    상기 수신된 표면 심전도 신호에 제한 독립신호분석 알고리즘을 적용하여 복수의 심전도 심방신호를 각각 추출하는 단계;
    추출된 복수의 신전도 신호와 상기 참조 심방신호의 유사척도치를 계산하는 단계; 및
    계산된 유사척도치에 근거하여 상기 참조 심방신호와 가장 유사하다고 판단된 심전도 신호를 상기 추정 심방신호로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 원 심방신호로 추정하는 단계는,
    상기 추정 심방신호를 입력으로 하여 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 반복적으로 적용하되,
    상기 유사척도치가 소정이 수렴 문턱치를 만족할 때까지 상기 제한 독립신호분석 알고리즘을 반복하여 최종 심방 신호를 상기 원 심방신호로 추정하는 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 유사척도치는 유클리디언 거리를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제한 독립신호분석 알고리즘은,
    상기 복수의 심전도 신호 각각에 대한 평균의 제곱은 동일한 것을 조건으로 적용되는 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 참조 심방신호를 생성하는 단계는,
    이벤트 동기화된 적응필터를 이용하여 상기 추정 심실신호를 생성하되,
    상기 이벤트 동기화된 적응필터는 상기 R파에 동기화된 임펄스 신호를 상기 수신된 표면 심전도 신호에 적용하는 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호는,
    표준유도 Ⅱ 또는 흉부유도 V1에 대한 센서로부터의 심전도 신호인 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 센서 중 하나의 센서로부터의 심전도 신호의 R파를 기준으로 추정 심실신호를 생성하고, 상기 하나의 센서로부터의 심전도 신호에서 상기 추정 심실신호를 빼기전의 심실 신호를 본 심실신호로 추정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 심방신호 추정 방법.
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