KR101504487B1 - Real Time System for Measuring Fetal Heart Rate - Google Patents

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KR101504487B1
KR101504487B1 KR1020140062050A KR20140062050A KR101504487B1 KR 101504487 B1 KR101504487 B1 KR 101504487B1 KR 1020140062050 A KR1020140062050 A KR 1020140062050A KR 20140062050 A KR20140062050 A KR 20140062050A KR 101504487 B1 KR101504487 B1 KR 101504487B1
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정의헌
이광진
김훈섭
이보름
김재관
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광주과학기술원
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Abstract

A heart rate measuring system for a fetus according to an embodiment of the present invention includes: an adaptive filter which removes only the electrocardiogram signal of a mother from the electrocardiogram signal of the mother and the electrocardiogram signal of the fetus; an online empirical mode decomposition (EMD) which decomposes a signal extracted from the adaptive filter into multiple intrinsic mode function (IMF) signals; a window designating unit which designates a window based on the peak value of a phonocardiogram signal of the fetus; and a synthesizing unit which synthesizes the window designated by the window designating unit with the electrocardiogram signal selected among the IMF signals decomposed by the online EMD. A signal included in the window is drawn as a final electrocardiogram signal of a fetus among signals synthesized by the synthesis unit. According to an embodiment, the present invention is able to handle a situation fast according to the state of a fetus by consistently monitoring the state of the fetus since the electrocardiogram of the fetus can be measured in real time.

Description

태아의 심박동수를 실시간으로 측정하기 위한 시스템{Real Time System for Measuring Fetal Heart Rate} [0001] The present invention relates to a system for measuring the heart rate of a fetus in real time (Real Time System for Measuring Fetal Heart Rate)

본 발명은 태아의 심박동수를 측정하기 위한 시스템이며, 구체적으로는 태아의 심박동수를 산모와 분리하여 이를 실시간으로 측정하기 위한 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a system for measuring a heart rate of a fetus, and more particularly, to a system for measuring the heart rate of a fetus from a mother and measuring it in real time.

태아의 맥박은 진통이나 다른 이유로 태아 맥박이 크게 변화되지 않는 상태에서 전반적으로 지속되는 맥박 속도를 가리킨다. 태아의 심박동은 질식 초음파의 경우 임신 6주부터 확인되고 임신 초기의 태아 심박동수는 1분에 120에서 190까지를 정상으로 볼 수 있다. 만삭에서 태아의 맥박은 어른의 두배 이상 되어서 1분에 120~160의 맥박수가 정상이며, 평균적으로 분당 144회 정도로 측정된다. The fetal pulse refers to the overall sustained pulse rate in the absence of significant changes in fetal pulse for labor or other reasons. The fetal heart rate is confirmed from 6 weeks of gestation by vaginal ultrasound and the fetal heart rate of gestation is normal from 120 to 190 per minute. At term infants, the fetal pulse rate is more than twice that of adults, so 120 to 160 pulse rates per minute are normal, and the average is measured at about 144 times per minute.

태아 맥박은 정상 범위가 120~160으로 넓고, 태아 상태가 나빠져 있어도 정상적으로 나오는 경우가 많기 때문에 단순한 태아 심박동수는 의학적 의미는 크지 않으나, 태아의 심박동수가 분동 120보다 떨어지는 상태가 10분이상 계속되는 경우에는 100~119/분은 경한 감소, 80~100/분은 중등도 감소, 이보다 낮으면 심한 감소로 간주한다. 태아 심박동수가 90이하 또는 기본 심박동수에서 40이상 줄어드는 것이 1분이상 지속되면 태아의 상태가 나쁠 가능성이 많으므로 면밀한 관찰이 요구된다. The fetal heart rate is usually 120 to 160 in normal range, and even if the fetal condition is normal, the fetal heart rate is normal. Therefore, the simple fetal heart rate is not of great medical significance. However, if the fetal heart rate is lower than the weight 120 for more than 10 minutes 100-119 / min is considered a mild decline, 80-100 / min is a moderate decline, and below this is considered a severe decline. If the fetal heart rate is less than 90 or more than 40 minutes in the baseline heart rate is more than 1 minute, the condition of the fetus is likely to be bad and careful observation is required.

종래 태아의 심박동수를 측정하는 방법으로는 도플러 초음파 신호를 이용한 측정 방식, 블라인드 소스 분리(blind source separation), 심전도와 심음도를 함께 사용하는 방식 등이 사용되고 있다. Conventional methods for measuring the heart rate of a fetus include a measurement method using a Doppler ultrasound signal, a blind source separation, and a method using an ECG and a heart sound together.

그러나, 임상적으로 가장 널리 쓰이고 있는 도플러 초음파 신호를 이용한 방법은 산모 또는 태아의 움직임 및 심음과 계산된 심박동수와의 오차 등의 오류로 인해 태아의 심박 변이도를 측정하기가 어려운 단점이 있으며, 측정 비용 또한 고가이고 지속적인 측정이 불가능한 문제가 있다. However, the most widely used Doppler ultrasound method has a disadvantage in that it is difficult to measure the heartbeat variation of the fetus due to errors in the movement of the mother or the fetus, the error between the heart sound and the calculated heart rate, Cost is also high and there is a problem that continuous measurement is impossible.

블라인드 소스 분리를 이용한 방식은 산모 복부에서 여러 개의 심전도를 측정하여 Independent Component Analysis(ICA)를 이용하여 산모의 심전도로부터 태아의 심전도를 추출하는 방식이며 여러개의 심전도 채널을 이용함으로써 비교적 정확한 태아의 심전도를 측정할 수 있다. 그러나, ICA를 이용한 방식은 측정시 눈으로 확인하여 심전도를 추출해야 하며 채널이 일정한 개수 이상이 되어야 심전도 측정이 가능하며, ICA 알고리즘은 신호 처리를 수행하기 위한 계산량이 많아 실시간으로 태아의 심박동수를 측정하기에 무리가 있다. The method using blind source separation is a method to measure fetal electrocardiogram from maternal electrocardiogram using Independent Component Analysis (ICA) by measuring several electrocardiograms in the maternal abdomen. By using several electrocardiogram channels, relatively accurate fetal electrocardiogram Can be measured. However, the method using ICA requires that the electrocardiogram be extracted by visual confirmation at the time of measurement. The electrocardiogram can be measured only when the number of channels is equal to or more than a certain number. The ICA algorithm requires a large amount of computation for signal processing, It is difficult to measure.

심전도와 심음도를 함께 이용하는 방식은 산모의 심전도 신호와 심음도를 이용하여 자궁 내의 상태를 파악하며, 태아의 심전도를 추출하기 위해 ICA 기술을 사용하기 때문에 이 또한 채널 개수와 신호 처리량으로 인해 태아의 심박동수를 실시간으로 측정하기 위한 시스템으로는 적합하지 않다.
The method of using ECG and heart sound also uses the ICA technique to extract the electrocardiogram of the fetus by detecting the state of the uterus using the electrocardiogram signal and the heart sound of the mother, It is not suitable as a system for measuring heart rate in real time.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 태아의 심박동수를 측정하기 위한 시스템에서 데이터 처리에 의한 지연 시간의 발생을 감소시키고, 채널 전극의 수를 감소시킴으로써, 태아의 심박동수를 실시간으로 측정할 수 있는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems and it is an object of the present invention to provide a system for measuring a heart rate of a fetus which reduces the occurrence of a delay time by data processing and reduces the number of channel electrodes, The purpose of this system is to provide a system that can do this.

본 발명의 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정시스템은, 산모와 태아의 심전도 신호에서 산모의 심전도 신호만을 제거하는 적응형 필터; 상기 적응형 필터에서 추출된 신호를 다수개의 IMF(Intrinsic mode functions) 신호로 분해하는 Online EMD(Empirical mode decomposition); 태아의 심음도 신호의 피크값을 기준으로 윈도우를 지정하는 윈도우 지정부; 및 상기 Online EMD에 의해 분해된 IMF 신호 중에서 선택된 심전도 신호에 상기 윈도우 지정부에 의해 지정된 윈도우를 합성하는 합성부;를 포함하며, 상기 합성부에 의해 합성된 신호 중에서, 상기 윈도우에 포함되는 신호가 태아의 최종적인 심전도 신호로 도출되는 것을 특징으로 한다. The system for measuring the heart rate of a fetus according to an embodiment of the present invention includes an adaptive filter for removing only an electrocardiogram signal of a mother in an electrocardiogram signal of a mother and a fetus; An online EMD (Empirical mode decomposition) for decomposing the signal extracted from the adaptive filter into a plurality of IMF (Intrinsic mode functions) signals; A window specifying unit for specifying a window based on a peak value of a signal of the heart of a fetus; And a synthesizer for synthesizing an ECG signal selected from the IMF signals decomposed by the Online EMD by a window specified by the window designator, wherein, among the signals synthesized by the synthesizer, And is derived from the final electrocardiogram signal of the fetus.

본 발명의 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정 방법은, 입력신호로서 산모의 복부에서 산모와 태아의 심전도 신호를 측정하는 단계; 참고신호로서 산모의 심장부에서 산모의 심전도 신호를 측정하는 단계; 산모의 복부에서 태아의 심음도 신호를 측정하는 단계; 적응 필터를 통해 입력신호에 포함된 참고신호를 추정하여 제거하는 단계; Online EMD를 통해 상기 적응 필터로 추출된 신호를 다수개의 IMF 신호로 분해하는 단계; 상기 태아의 심음도 신호의 피크값을 기준으로 윈도우를 설정하는 단계; 및 상기 Online EMD를 통해 분해된 신호 중에서 선택된 IMF 신호와 상기 윈도우를 합성하여 태아의 최종적인 심전도 구간을 도출하는 단계;를 포함할 수 있다.
The method of measuring a heart rate of a fetus according to an embodiment of the present invention includes measuring an electrocardiogram signal of a mother and a fetus in an abdomen of a mother as an input signal; Measuring the electrocardiographic signal of the mother in the heart of the mother as a reference signal; Measuring the heart sound signal of the fetus in the abdomen of the mother; Estimating and removing a reference signal included in the input signal through an adaptive filter; Decomposing the signal extracted by the adaptive filter into a plurality of IMF signals through Online EMD; Setting a window based on a peak value of the heart sound signal of the fetus; And deriving a final electrocardiogram section of the fetus by synthesizing the IMF signal selected from the signals decomposed through the Online EMD and the window.

본 발명의 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정시스템은, 실시간으로 태아의 심전도를 측정할 수 있기 때문에 태아의 상태를 지속적으로 감시할 수 있어 태아의 상태에 따라 빠른 대처가 가능한 장점이 있다. The heart rate measuring system of the fetus according to the embodiment of the present invention can measure the electrocardiogram of the fetus in real time so that the state of the fetus can be continuously monitored and it is possible to cope with the condition of the fetus rapidly.

또한, 실시예는 태아의 심전도 측정시 사용되는 채널 전극을 3개로 사용함으로써, 종래 태아의 심박동수 측정시 10개 이상의 다채널 전극을 사용하는 방식에 비하여 측정이 용이하고 태아의 심박동수를 지속적으로 모니터링하기에 수월한 장점이 있다.
In addition, in the embodiment, by using three channel electrodes used for fetal electrocardiogram measurement, it is easier to measure compared with the method using more than 10 multi-channel electrodes in measuring the fetal heart rate, and the fetal heart rate is continuously There are advantages that are easy to monitor.

도 1은 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정 장치를 나타낸 도면
도 2는 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정 시스템을 나타낸 블록도
도 3은 도 2의 적응형 필터를 통한 신호 제거를 나타낸 도면
도 4는 실시예에 따른 Online EMD 방법을 나타낸 플로우 차트
도 5는 도 4의 Online EMD 방법에 따른 IMF 신호 추출을 나타낸 도면
도 6은 Online EMD 방법에 따른 IMF 신호를 나타낸 도면
도 7은 Online EMD의 시스템 구조를 나타낸 도면
도 8은 window buffer별로 신호를 합성하는 과정에서 생기는 문제점을 나타낸 도면
도 9는 도 8에서 생기는 문제점을 해결하는 방법을 나타낸 도면
도 10은 태아의 심음도를 나타낸 도면
도 11은 태아의 심음도를 이용하여 태아 심전도 신호의 추출을 나타내는 도면
도 12는 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정 시스템에 의해 추정된 태아의 심전도 신호를 나타내는 도면
도 13은 입력되는 초기신호의 전압 크기에 따른 root mean square 에러를 비교한 그래프
도 14는 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정 시스템의 실시간 성능을 평가한 결과를 나타낸 도면
1 is a view showing an apparatus for measuring a heart rate of a fetus according to an embodiment;
2 is a block diagram showing a system for measuring the heart rate of a fetus according to the embodiment
Figure 3 shows signal rejection through the adaptive filter of Figure 2;
4 is a flowchart illustrating an Online EMD method according to an embodiment;
5 illustrates IMF signal extraction according to the Online EMD method of FIG. 4; FIG.
6 is a diagram showing an IMF signal according to the Online EMD method
7 is a diagram showing a system structure of Online EMD
8 is a view showing a problem caused in a process of synthesizing signals by window buffers
9 is a view showing a method for solving the problem in Fig. 8
10 is a view showing a heart sound of a fetus
Fig. 11 is a diagram showing extraction of a fetal electrocardiogram signal using a fetal heart tone
12 is a graph showing an electrocardiogram signal of a fetus estimated by the heart rate measuring system of a fetus according to the embodiment
13 is a graph comparing root mean square errors according to voltage magnitudes of input initial signals
FIG. 14 is a diagram showing a result of evaluating real-time performance of a fetal heart rate measuring system according to the embodiment

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.The embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to these embodiments. In describing the present invention, a detailed description of well-known functions or constructions may be omitted for the sake of clarity of the present invention.

도 1은 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정 시스템 나타낸 도면이다. 1 is a diagram showing a system for measuring the heart rate of a fetus according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 실시예의 심박동수 측정 시스템은 컴퓨터 등으로 구성되는 제어부(2), 심전도 및 심음도를 측정하기 위해 DAQ(Data Acquisition) 등으로 구성된 측정부(3)와 복수개의 채널 전극으로 구성될 수 있다. Referring to FIG. 1, the heart rate measuring system of the embodiment includes a controller 2 configured by a computer or the like, a measurement unit 3 including a DAQ (Data Acquisition) for measuring electrocardiogram and heart sound, and a plurality of channel electrodes Lt; / RTI >

상기 채널 전극은 산모의 심전도를 측정하기 위해 산모의 가슴 부분에 부착되는 제1 전극(4), 산모 및 태아의 심전도를 측정하기 위해 산모의 복부에 부착되는 제2 전극(5)과 태아의 심음도를 측정하기 위한 제3 전극(6)이 마련될 수 있다. 본 실시예에서는 각 전극에서 수집되는 데이터를 비교 분석하여, 태아의 심박동수를 추출하는 알고리즘을 사용한 실시간 시스템을 제안하며, 이에 대해 하기에 구체적으로 설명하기로 한다. The channel electrode includes a first electrode 4 attached to the chest of the mother to measure the electrocardiogram of the mother, a second electrode 5 attached to the abdomen of the mother to measure the electrocardiogram of the mother and the fetus, A third electrode 6 may be provided for measuring the degree. In this embodiment, a real-time system using an algorithm for extracting the fetal heartbeat number by comparing and analyzing the data collected from each electrode is proposed and will be described in detail below.

도 2는 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정 시스템을 나타낸 블록도이다. 실시예는 태아의 심박동수를 측정하기 위한 방법으로, 입력신호로서 산모 복부에서 측정된 산모 및 태아의 심전도 신호(S2)와 태아의 심음도(S3)를 이용하고, 참조신호로서 산모만의 심전도 신호(S1)을 이용하여 태아의 심전도를 추출한다. 2 is a block diagram illustrating a system for measuring the heart rate of a fetus according to an embodiment of the present invention. The embodiment is a method for measuring the heart rate of a fetus using an electrocardiogram (S2) of a mother and a fetus and a heart sound S3 of a fetus measured in a maternal abdomen as an input signal, The fetal electrocardiogram is extracted using the signal S1.

태아의 심전도를 추정하기 위해서는 적응형 필터(Adaptive filter, 15)를 이용하여 산모의 복부에서 측정된 신호(S2)에서 산모의 심전도(S1)를 제거하고, 그 신호를 Online EMD(empirical mode decomposition, 16)을 이용하여 분해한다. 분해된 신호 중에서 태아의 심전도만을 추출한 뒤, 마지막으로 태아의 심음도(S3)를 이용하여 태아의 심전도 구간을 찾아 태아의 심박동수를 측정한다. In order to estimate the electrocardiogram of the fetus, an adaptive filter (15) is used to remove the electrocardiogram (S1) of the mother from the signal (S2) measured at the abdomen of the mother and the signal is converted into an empirical mode decomposition 16). After extracting only the electrocardiogram of the fetus from the disassembled signal, the heart rate of the fetus is measured by searching the fetal electrocardiogram section using the heart sound of the fetus (S3).

구체적으로 실시예의 구성을 살펴보면, 입력신호로서 산모 및 태아의 심전도 신호(S2)에서 산모의 심전도 신호(S1)를 제거하기 위해 적응형 필터(15)가 구비될 수 있다. 적응형 필터(15)는 입력 신호를 기반으로 최적화된 알고리즘을 구현하여 그의 기능이 자가 적응형으로 변경되는 필터를 말한다. 본 발명에서는 적응형 필터를 사용하여, 우선적으로 산모의 심전도만을 제거하기 위해 순환 최소 자승법(Recursive least square)를 이용한다. Specifically, in the configuration of the embodiment, the adaptive filter 15 may be provided to remove the electrocardiogram signal S1 of the mother from the electrocardiogram signal S2 of the mother and fetus as the input signal. The adaptive filter 15 is a filter that implements an optimized algorithm based on an input signal so that its function is changed in a self-adaptive manner. In the present invention, by using an adaptive filter, a recursive least square method is used to preferentially remove only the electrocardiogram of a mother.

순환 최소 자승법은 적응 알고리즘에서 널리 사용되는 방식이며, 오차의 자승치의 합을 최소화시키고 빠른 수렴능력을 가지고 있으며 각 시간당 최소화 문제에 있어 정확한 해답을 제공한다. 산모와 태아의 심전도가 섞여있는 신호(S2)를 입력신호라 하고 산모의 심전도 신호(S1)를 참고신호라 하면, 적응 필터 안에서는 참고 신호를 통하여 입력신호 안에 포함된 참고신호를 추정하게 되며, 추정되어 나오는 값은 산모의 심전도 신호만 추출된다. 이를 입력신호에서 제거하게 되면, 입력신호에서 산모의 심전도 신호는 제거된다. The cyclic least squares method is widely used in adaptive algorithms. It minimizes the sum of squared errors, has fast convergence ability, and provides an accurate solution for each hourly minimization problem. The reference signal included in the input signal is estimated through the reference signal in the adaptive filter when the signal S2 in which the electrocardiogram of the mother and the fetus are mixed is referred to as an input signal and the electrocardiogram signal S1 of the mother is referred to as a reference signal. Only the electrocardiogram signal of the mother is extracted. When this is removed from the input signal, the electrocardiogram signal of the mother is removed from the input signal.

도 3은 도 2의 적응형 필터를 통한 신호 제거를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 산모의 심전도 신호(maternal Electrocardiogram: mECG)와 태아의 심전도 신호(fetal Electrocardiogram: fECG)가 합쳐진 신호에서 적응형 필터(15)를 사용하여, 순환 최소 자승법을 적용하여 산모의 심전도 신호(mECG)만을 제거한 것을 나타낸다. 산모의 심전도 신호는 태아의 심전도 신호보다 진폭이 크게 나타나므로, 산모의 심전도 신호를 제거하면 스케일이 0.1mV 이내로 축소된 태아의 심전도만을 추출할 수 있다. FIG. 3 is a diagram illustrating signal rejection through the adaptive filter of FIG. 2. FIG. Referring to FIG. 3, in a signal obtained by combining a maternal electrocardiogram (mECG) and a fetal electrocardiogram (fECG), a circulatory least squares method is applied using an adaptive filter 15, Indicates that only the signal mECG is removed. Since the amplitude of the electrocardiogram signal of the mother is larger than that of the fetal electrocardiogram signal, it is possible to extract only the electrocardiogram of the fetus whose scale is reduced to within 0.1 mV by removing the electrocardiogram signal of the mother.

그리고, 산모의 심전도 신호가 제거되어 태아의 심전도 신호라 추정되는 신호는 Online EMD(empirical mode decomposition) 방법을 이용하여 분해될 수 있다. 여기서, EMD 방법이란 시간-주파수 분석의 새로운 방법으로서 적응적이며 효율적으로 신호를 분해하는 방식이다. EMD 방법은 신호 그 자체에 의해 정의된 IMFs(Intrinsic mode functions)로 명명되는 함수의 집합으로 분해되며, 분해된 IMFs는 원신호의 고유한 속성을 보존하므로 기저함수 및 필터로 사용될 수 있다. EMD 방법에 의한 신호 분해는 신호의 지역적인 시간 스케일 특성에 기반을 두고 있으므로 비선형, 비정상 신호처리에 적합하며 심장박동(ECG)과 같은 생체 신호처리에 사용될 수 있다. In addition, the signal that the fetal electrocardiogram signal is removed by removing the electrocardiogram signal of the mother can be resolved using the online EMD (empirical mode decomposition) method. Here, the EMD method is a new method of time-frequency analysis that adaptively and efficiently decomposes a signal. The EMD method is decomposed into a set of functions called IMFs (Intrinsic mode functions) defined by the signal itself, and the decomposed IMFs can be used as basis functions and filters because they preserve the inherent properties of the original signal. The signal decomposition by the EMD method is based on the local time scale characteristics of the signal, so it is suitable for nonlinear and abnormal signal processing and can be used for biological signal processing such as heart beat (ECG).

그러나, 종래의 EMD 방법은 IMF를 추출하는 과정에서 많은 반복 계산이 발생하여 계산량이 많아지기 때문에, 데이터의 실시간 처리가 용이하지 않아 이미 리코딩이 끝난 데이터를 처리하는데 사용되었다. 따라서, 본 실시예는 종래의 EMD 방법을 개선하여 실시간으로 데이터를 분해 및 분석할 수 있는 Online EMD 방법을 통해 태아의 심박동수를 추정하고자 한다. However, in the conventional EMD method, many repetitive calculations are generated in the process of extracting the IMF, and the amount of calculation is increased. Therefore, it is not easy to process the data in real time, and thus it is used for processing the already recorded data. Accordingly, the present embodiment intends to estimate the heartbeat number of a fetus through an online EMD method capable of decomposing and analyzing data in real time by improving the conventional EMD method.

다시 도 2를 참조하면, Online EMD(16)를 통해 태아의 심전도 신호라 추정되는 신호는 N개로 분해되고, 선택부(17)에서는 Median Frequency를 이용하여 N개의 분해된 신호 중에서 태아의 심전도와 관련된 신호를 선택하게 된다. Referring again to FIG. 2, a signal estimated to be a fetal electrocardiogram signal through the Online EMD 16 is decomposed into N, and in the selector 17, among the N decomposed signals using the Median Frequency, Signal.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 Online EMD를 나타낸 플로우 차트이며, 도 5는 도 4에 따른 신호의 변화를 나타낸 도면이다. FIG. 4 is a flowchart illustrating Online EMD according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a diagram illustrating a change of a signal according to FIG.

도 4와 도 5를 함께 참조하면, Online EMD에는 산모와 태아의 심박동수가 혼합된 신호에서 산모의 심박동 신호가 제거된 신호가 전송되며, Online EMD은 이 신호를 N개의 신호로 분해하는 역할을 한다. Referring to FIGS. 4 and 5, in the Online EMD, a signal in which a mother's heartbeat signal is removed is transmitted in a mixed signal of a maternal-fetal heartbeat number, and Online EMD serves to decompose the signal into N signals .

우선 D1 단계에서 입력신호 r(t)는 x(t)로 정의된다. 이어서, D2 단계에서 신호 x(t)의 모든 극점을 추출하는 단계를 수행한다. First, in step D1, the input signal r (t) is defined as x (t). Then, in step D2, a step of extracting all the poles of the signal x (t) is performed.

그리고, D3 단계에서 상기 극점의 위쪽을 연결하여 위 포락선 Eu(t)을 도출하고, 상기 극점의 아래쪽을 연결하여 아래 포락선 El(t)을 도출한다. 이어서, D4 단계에서는 상기 위 포락선 Eu(t)과 아래 포락선 El(t)의 평균을 계산하여 평균 신호 m(t)를 획득한다. In step D3, the upper envelope Eu (t) is derived by connecting the upper side of the pole, and the lower envelope El (t) is derived by connecting the lower side of the pole. In step D4, the average of the upper envelope Eu (t) and the lower envelope El (t) is calculated to obtain an average signal m (t).

D5 단계에서는 입력신호 x(t)에서 상기 평균신호 m(t)를 빼줌으로써 최종 신호 h(t)를 도출하게 된다. 이어서, D6 단계에서는 상기 최종 신호 h(t)가 IMF 인지 판단하는 단계를 수행하고, 만약 IMF가 아닐 경우에는 입력신호가 h(t)로 설정되어 입력 신호에 대한 D2의 단계를 다시 수행한다. In step D5, the final signal h (t) is derived by subtracting the average signal m (t) from the input signal x (t). Next, in step D6, it is determined whether the final signal h (t) is an IMF. If not, the input signal is set to h (t) to perform the step D2 on the input signal again.

만약, h(t)가 IMF로 판단된 경우에는 D7 단계에서, h(t)가 제1 IMF 신호(IMF1)인 c(t)로 정의된다. 그리고, 입력신호 r(t)에서 상기 c(t)만큼 뺀 값은 제2 IMF 신호(IMF2)를 도출하기 위한 입력신호로 설정된다. If h (t) is determined to be IMF, h (t) is defined as c (t) which is the first IMF signal IMF1 in step D7. The value obtained by subtracting the c (t) from the input signal r (t) is set as an input signal for deriving the second IMF signal IMF2.

도 6은 입력신호에서 Online EMD를 사용하여 연속적인 IMF 신호를 추출한 도면을 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 Online EMD를 거친 신호는 제1 IMF 신호(IMF1)가 추출됨과 동시에 제2 IMF 신호(IMF2), 제3 IMF 신호(IMF3), 제4 IMF 신호(IMF4), 제5 IMF 신호(IMF5)로 분해될 수 있다. 상기와 같이 분해된 신호의 곡선 아래 면적을 동일한 면적으로 분리하여 이에 해당하는 Median Frequency를 구하여 이에 해당하는 IMF 신호를 선택한다. FIG. 6 shows a drawing in which continuous IMF signals are extracted using Online EMD in an input signal. As shown in FIG. 6, the signal transmitted through the Online EMD according to the embodiment includes a first IMF signal IMF1, a third IMF signal IMF3, a fourth IMF signal IMF2, IMF4) and the fifth IMF signal IMF5. The area under the curve of the decomposed signal is divided by the same area, and the corresponding median frequency is obtained, and the corresponding IMF signal is selected.

도 7은 Online EMD의 시스템 구조를 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정 시스템은 실시간으로 태아의 심전도 신호를 추출하기 위하여 buffer를 설정하고 연속적인 IMF 추출수단을 형성하여, 동시에 여러 IMF를 추출하는 방식이다. 7 is a diagram showing the system structure of Online EMD. Referring to FIG. 7, the fetal heart rate measuring system according to the embodiment sets a buffer to extract fetal electrocardiogram signals in real time, forms a continuous IMF extracting means, and simultaneously extracts a plurality of IMFs.

즉, 기존의 EMD 방식에서는 제1 IMF 신호(IMF1)를 모두 추출한 후에 제2 IMF 신호(IMF2)를 추출하는 방식이었지만, 실시예에 따른 Online EMD 방식에서는 한번에 전체 IMF 신호를 분해할 수 있다. 데이터가 들어올 때마다 Buffer의 데이터 정보에는 IMF1의 값이 저장되어 있기 때문에 다음 buffer 데이터에서는 이 정보를 이용하여 바로 IMF2를 구할 수 있다. 이러한 과정을 반복하면, 실시간으로 한 신호에서 여러개의 IMF 신호를 동시에 구할 수 있게 된다. That is, in the conventional EMD method, the second IMF signal IMF2 is extracted after all the first IMF signals IMF1 are extracted. However, in the online EMD method according to the embodiment, the entire IMF signal can be decomposed at once. Since the value of IMF1 is stored in the data of the buffer every time data is input, IMF2 can be obtained immediately by using this information in the next buffer data. By repeating this process, it is possible to simultaneously obtain several IMF signals from one signal in real time.

그러나 도 8에 도시된 바와 같이, buffer별로 신호를 합성하여 IMF 신호를 형성하는 과정에서, 각 buffer 별로 결과를 이어 붙일시 데이터의 불연속 구간이 나타나는 Block-wise 현상이 발생할 수 있다. However, as shown in FIG. 8, a block-wise phenomenon in which a discontinuous section of data appears when data is concatenated for each buffer in the process of synthesizing signals by buffer and forming an IMF signal may occur.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 도 9에 도시된 바와 같이 sliding window 를 이용하여 신호를 50% 씩 오버랩시키는 과정을 포함할 수 있다. Therefore, in order to solve this problem, it may include a process of overlapping the signals by 50% using a sliding window as shown in FIG.

다시 도 2를 참조하면, 선택부(17)에서 선택된 신호는 합성부(18)에서 윈도잉(windowing)을 실시하게 되는데, 이 때 태아의 심음도 신호(PCG)를 참조한다.Referring again to FIG. 2, the signal selected by the selecting unit 17 is subjected to windowing in the synthesizing unit 18, at which time the fetal heartbeat signal PCG is referred to.

도 10은 태아의 심음도를 나타낸 도면이며, 태아의 심음도 신호(S3)는 밴드 패스 필터(13)를 거쳐 특정 주파수의 신호가 제거되며, 통과한 신호에 대해 검출부(18)에서는 심음도 신호의 피크(peak)를 검출한다. window 지정부(19)에서는 상기 심음도 신호의 피크를 기준으로 60ms의 전후시간을 포함하는 윈도우(window)를 지정한다. FIG. 10 is a view showing the heart sound of the fetus. The signal S3 of the fetus is passed through the band-pass filter 13 to remove the signal of a specific frequency, and in the detection unit 18, Is detected. The window designation unit 19 designates a window including a time around 60 ms based on the peak of the heart sound signal.

도 11은 태아의 심음도를 이용하여 태아 심전도 신호의 추출을 나타내는 도면이다. 도 11을 참조하면, 선택부(17)에서 태아의 심전도로서 선택된 신호는 태아의 심음도에 의해 지정된 윈도우와 합성된다. 11 is a diagram showing extraction of a fetal electrocardiogram signal using a fetal heart sound. Referring to Fig. 11, the signal selected as the electrocardiogram of the fetus in the selector 17 is synthesized with the window specified by the heart sound of the fetus.

도 12는 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정 시스템에 의해 추정된 태아의 심전도 신호를 나타내는 도면이다. 도 12를 참조하면, 태아의 심음도에 의해 윈도우잉된 태아의 심전도 신호 이외에는 제거됨으로써, 최종적으로 태아의 심전도 신호를 추정할 수 있다. 12 is a diagram showing an electrocardiogram signal of a fetus estimated by the heart rate measuring system of a fetus according to the embodiment. Referring to FIG. 12, except for the electrocardiogram signal of the fetus windowed by the heart sound of the fetus, the fetal electrocardiogram signal can be finally estimated.

도 13은 입력되는 초기신호의 전압 크기에 따른 root mean square 에러를 비교한 그래프이다. 도 13을 참조하면, 시뮬레이션 신호를 이용하여 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정 시스템에 의한 성능 평가를 실시한 결과값을 나타낸다. 시뮬레이션 신호를 획득하기 위해 사용자 A, B의 심전도 신호를 병합하였으며, 사용자 B는 운동을 하여 태아의 평균 심박동수인 120~160bpm의 조건을 만족하도록 하였다. 13 is a graph comparing root mean square errors according to voltage magnitudes of input initial signals. Referring to FIG. 13, there is shown a result of performing a performance evaluation using the simulation signal of the fetal heart rate measuring system according to the embodiment. To obtain the simulation signal, the electrocardiogram signals of the users A and B were merged, and the user B was exercised to satisfy the conditions of the fetal heart rate of 120 ~ 160 bpm.

사용자 B는 심전도 및 심음도를 함께 측정하였으며, 사용자 A는 복부에서 심전도만을 측정한 후 시뮬레이션 신호를 형성하여 실시예에 따른 심박동수 측정 시스템이 포함하는 알고리즘을 적용하였다. 레퍼런스 신호로는 사용자 B의 심전도만으로 측정된 심전도 신호를 기준으로 평가를 실시하였다. User B measured the electrocardiogram and heart soundness together, and user A measured the electrocardiogram only in the abdomen and formed a simulation signal to apply the algorithm included in the heart rate measurement system according to the embodiment. The reference signal was evaluated based on the electrocardiogram signal measured by only the electrocardiogram of the user B.

도시된 바와 같이, 사용자 B의 심전도 신호 크기를 0.06mV에서 0.2mV로 리스케일링(rescaling)이 진행될수록, 0.2mV 값을 가지는 신호의 경우 태아를 모델로 한 사용자 B의 심전도와 심음도 신호는 분당 약 1.09 beat의 심전도 오차를 가지게 되는 결과값을 나타내었으며, 추정되는 심전도 신호의 결과값은 신뢰성을 가지는 오차 범위내에 있음을 확인할 수 있다. As shown in the figure, as the rescaling of the electrocardiogram signal of the user B from 0.06 mV to 0.2 mV progresses, the electrocardiogram and the heart sound signal of the user B modeled on the fetus in the case of the signal having the value of 0.2 mV, The result shows that the electrocardiogram error of about 1.09 beat is obtained, and the result of the estimated electrocardiogram signal is within the error range with reliability.

도 14는 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정 시스템의 실시간 성능을 평가한 결과를 나타낸 도면이다. 도 14를 참조하면, 1K Sammples/s 의 샘플링 속도로 산모 모델인 사용자 A와 태아 모델인 사용자 B 에게서 동시에 30초 동안의 신호를 얻어서 이를 병합하였다. 그리고, 실시예에서 제안하는 태아의 심박동수 측정 시스템이 포함하는 알고리즘을 적용하였을 경우 태아의 심전도를 추정하는데 약 5.3초의 처리 속도를 나타내었다. 이는 실시예에 따른 심전도 측정 방식이 실시간으로 태아 심전도 신호 및 이에 따른 그래프를 추출할 수 있다는 것을 의미한다. FIG. 14 is a diagram showing a result of evaluating real-time performance of a fetal heart rate measuring system according to an embodiment. Referring to FIG. 14, at the sampling rate of 1K Sammples / s, the user A and the fetus model B simultaneously receive signals for 30 seconds and combine them. When the algorithm included in the fetal heart rate measuring system proposed in the embodiment is applied, the fetal electrocardiogram is estimated to have a processing speed of about 5.3 seconds. This means that the electrocardiogram measuring method according to the embodiment can extract the fetal electrocardiogram signal and the graph corresponding thereto in real time.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 태아의 심박동수 측정시스템은, 실시간으로 태아의 심전도를 측정할 수 있기 때문에 태아의 상태를 지속적으로 감시할 수 있어 태아의 상태에 따른 신속한 대처가 가능하다. Therefore, the heart rate measuring system of the fetus according to the embodiment of the present invention can measure the electrocardiogram of the fetus in real time, so that the state of the fetus can be continuously monitored, so that it is possible to promptly cope with the state of the fetus.

실시예는 태아의 심전도 측정시 사용되는 채널 전극을 3개로 사용함으로써, 종래 태아의 심박동수 측정시 10개 이상의 다채널 전극을 사용하는 방식에 비하여 측정이 용이하고 태아의 심박동수를 지속적으로 모니터링하기에 수월한 장점이 있다. In the embodiment, by using three channel electrodes used for fetal electrocardiogram, it is easier to measure compared with the method using more than 10 multi-channel electrodes in the measurement of the fetal heart rate, and the fetal heart rate is continuously monitored .

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications other than those described above are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments of the present invention can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.

2: 제어부
3: 측정부
4: 제1 전극
5: 제2 전극
6: 제3 전극
11, 12, 13 : 밴드 패스 필터
15: 적응형 필터(Adaptive filter)
16: Online EMD
17: 선택부
18: 합성부
19: 윈도우 지정부
2:
3:
4: first electrode
5: Second electrode
6: Third electrode
11, 12, 13: Bandpass filter
15: Adaptive filter
16: Online EMD
17:
18:
19:

Claims (12)

산모와 태아의 심전도 신호에서 산모의 심전도 신호만을 제거하는 적응형 필터;
상기 적응형 필터에서 추출된 신호를 다수개의 IMF(Intrinsic mode functions) 신호로 분해하는 Online EMD(Empirical mode decomposition);
태아의 심음도 신호의 피크값을 기준으로 윈도우를 지정하는 윈도우 지정부; 및
상기 Online EMD에 의해 분해된 IMF 신호 중에서 선택된 심전도 신호에 상기 윈도우 지정부에 의해 지정된 윈도우를 합성하는 합성부;를 포함하며,
상기 합성부에 의해 합성된 신호 중에서, 상기 윈도우에 포함되는 신호가 태아의 최종적인 심전도 신호로 도출되는 태아의 심박동수 측정 시스템.
An adaptive filter which removes only the ECG signal of the mother in the fetal ECG signal;
An online EMD (Empirical mode decomposition) for decomposing the signal extracted from the adaptive filter into a plurality of IMF (Intrinsic mode functions) signals;
A window specifying unit for specifying a window based on a peak value of a signal of the heart of a fetus; And
And a synthesizer for synthesizing a window designated by the window designator to an electrocardiogram signal selected from the IMF signals decomposed by the Online EMD,
And a signal included in the window is derived as a final electrocardiogram signal of the fetus among the signals synthesized by the synthesizer.
제 1항에 있어서,
상기 적응 필터는 회귀 최소 자승법(Recursive least square)를 이용하여 산모와 태아의 심전도 신호에서 산모의 신호만을 제거하는 태아의 심박동수 측정 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the adaptive filter is a fetal heart rate measurement system for removing only a maternal signal from a fetal electrocardiogram signal using a recursive least square method.
제 1항에 있어서,
상기 Online EMD에 의해 분해된 신호 중에서 Median Frequency 를 통해 태아의 심전도를 선택하는 선택부를 포함하는 태아의 심박동수 측정 시스템.
The method according to claim 1,
And a selection unit for selecting an electrocardiogram of the fetus through the Median Frequency among the signals decomposed by the Online EMD.
제 1항에 있어서,
태아의 심음도를 측정하여 피크값을 검출하는 검출부가 마련되는 태아의 심박동수 측정 시스템.
The method according to claim 1,
A fetal heart rate measuring system comprising a detector for detecting a peak value by measuring a fetal heart rate.
제 1항에 있어서,
상기 Online EMD는 분해되는 IMF 신호값을 저장하는 버퍼(buffer)를 포함하며, 상기 버퍼에 저장된 값을 이용하여 연속적인 IMF 신호값을 도출하는 태아의 심박동수 측정 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the Online EMD includes a buffer for storing an IMF signal value to be decomposed, and derives a continuous IMF signal value using the value stored in the buffer.
제 1항에 있어서,
산모의 심전도 신호를 측정하는 제1 전극, 산모와 태아의 심전도 신호를 측정하는 제2 전극, 태아의 심음도를 측정하는 제3 전극을 더 포함하는 태아의 심박동수 측정 시스템.
The method according to claim 1,
A fetal heart rate measuring system further comprising a first electrode for measuring the electrocardiogram signal of the mother, a second electrode for measuring the electrocardiogram signal of the mother and the fetus, and a third electrode for measuring the heart sound of the fetus.
제 6항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 전극에서 측정되는 심전도 신호를 소정의 대역값을 갖도록 필터링하는 밴드 패스 필터를 포함하는 태아의 심박동수 측정 시스템.
The method according to claim 6,
And a band-pass filter for filtering the electrocardiogram signal measured at the first to third electrodes to have a predetermined band value.
입력신호로서 산모의 복부에서 산모와 태아의 심전도 신호를 측정하는 단계;
참고신호로서 산모의 심장부에서 산모의 심전도 신호를 측정하는 단계;
산모의 복부에서 태아의 심음도 신호를 측정하는 단계;
적응 필터를 통해 입력신호에 포함된 참고신호를 추정하여 제거하는 단계;
Online EMD를 통해 상기 적응 필터로 추출된 신호를 다수개의 IMF 신호로 분해하는 단계;
상기 태아의 심음도 신호의 피크값을 기준으로 윈도우를 설정하는 단계; 및
상기 Online EMD를 통해 분해된 신호 중에서 선택된 IMF 신호와 상기 윈도우를 합성하여 태아의 최종적인 심전도 구간을 도출하는 단계;
를 포함하는 태아의 심박동수 측정 방법.
Measuring an electrocardiographic signal of a mother and a fetus in an abdomen of a mother as an input signal;
Measuring the electrocardiographic signal of the mother in the heart of the mother as a reference signal;
Measuring the heart sound signal of the fetus in the abdomen of the mother;
Estimating and removing a reference signal included in the input signal through an adaptive filter;
Decomposing the signal extracted by the adaptive filter into a plurality of IMF signals through Online EMD;
Setting a window based on a peak value of the heart sound signal of the fetus; And
Extracting a final electrocardiogram section of the fetus by synthesizing the IMF signal and the window selected from the signals decomposed through the Online EMD;
Of fetal heart rate.
제 8항에 있어서,
상기 적응 필터는 회귀 최소 자승법(Recursive least square)를 이용하여 산모와 태아의 심전도 신호에서 산모의 신호만을 제거하는 태아의 심박동수 측정 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the adaptive filter is a method of measuring heart rate of a fetus which removes only a maternal signal from a fetal electrocardiogram signal using a recursive least square method.
제 8항에 있어서,
상기 Online EMD는 Median Frequency 를 통해, 분해된 IMF 신호 중에서 태아의 심전도를 선택하는 태아의 심박동수 측정 방법.
9. The method of claim 8,
The Online EMD is a method for measuring the heart rate of the fetus that selects the fetal electrocardiogram from the disassembled IMF signal through Median Frequency.
제 8항에 있어서,
상기 Online EMD는 분해되는 IMF 신호값을 저장하는 버퍼(buffer)를 포함하며, 상기 버퍼에 저장된 값을 이용하여 연속적인 IMF 신호 분해과정을 실시하는 태아의 심박동수 측정 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the Online EMD includes a buffer for storing an IMF signal value to be decomposed, and performs a continuous IMF signal decomposition process using a value stored in the buffer.
제 8항에 있어서,
상기 Online EMD를 통해 분해된 신호 중에서 선택된 IMF 신호와 상기 윈도우를 합성하여 태아의 최종적인 심전도 구간을 도출하는 단계는,
상기 윈도우 내에 포함되는 상기 IMF 신호가 태아의 심전도 신호로 도출되는 것을 포함하는 태아의 심박동수 측정 방법.
9. The method of claim 8,
The step of deriving the final electrocardiogram section of the fetus by synthesizing the IMF signal and the window selected from the signals decomposed by the Online EMD,
Wherein the IMF signal included in the window is derived from a fetal electrocardiogram signal.
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