KR101511204B1 - Unusual waveform detection method in ECG signal based on Refractory Period - Google Patents

Unusual waveform detection method in ECG signal based on Refractory Period Download PDF

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KR101511204B1
KR101511204B1 KR20140065457A KR20140065457A KR101511204B1 KR 101511204 B1 KR101511204 B1 KR 101511204B1 KR 20140065457 A KR20140065457 A KR 20140065457A KR 20140065457 A KR20140065457 A KR 20140065457A KR 101511204 B1 KR101511204 B1 KR 101511204B1
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박길흠
김진섭
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method to detect an unusual waveform from an arrhythmia electrocardiogram (ECG) signal based on a refractory period. The method includes the following steps of: (a) preprocessing an ECG signal; (b) extracting an R peak candidate from the ECG signal; (c) calculating a refractory period (RP) based on the kurtosis and potential of the R peak candidate; (d) determining whether a potential higher than the R peak candidate exists in the refractory period or not; (e) determining a current candidate peak as an R peak when a potential higher than the R peak candidate does not exist in the refractory period, or extracting the higher potential as a new R peak candidate when the higher potential exists, and repeating the steps from the step (a) to (C); and (f) detecting a waveform including the current R peak as an unusual waveform when the potential and kurtosis values of the determined R peak do not exist within a preset threshold value at the same time. The provided method to detect an unusual waveform of an ECG signal: is provided based on a refractory period; provides a stable and high detection rate in a simple way; improves a computing speed; can be applied to various kinds of applications for a real-time processing; and efficiently improves the efficiency of time and costs for the detection.

Description

불응기에 기반한 심전도 신호에서 특이파형 검출방법{Unusual waveform detection method in ECG signal based on Refractory Period} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ECG signal based on refractory period,

본 발명은 심전도 신호에서의 R 파 검출방법에 관한 것으로, 탈분극과 재분극을 반영하는 불응기에 후보 R-정점의 첨도와 전위를 반영하여 가변하는 불응기를 적용한 심전도 신호에서 적응적 불응기를 이용한 R 파 검출방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of detecting an R wave in an electrocardiogram signal, and more particularly, to a method of detecting R wave using an adaptive reflex in an ECG signal applied with a reflexive period that reflects the kurtosis and potential of a candidate R- ≪ / RTI >

최근 국내의 경제성장과 생활환경이 서구화됨에 따라 심장질환이 암, 뇌혈관질환과 더불어 한국인의 주요 사망원인 중 하나로 부각되고 있다. 대표적인 심장질환의 종류에는 관상동맥질환(coronary artery disease: CAD), 부정맥(arrhythmia), 심부전(heart failure) 등으로 분류할 수 있다. 이러한 심장질환의 사전진단 및 예후관측에 있어서 가장 중요한 신호는 심장의 활동에서 발생되는 심전도(electrocardiogram; ECG) 신호로서, 특히 심장의 전기 자극 형성 및 전도 장애에 기인한 부정맥 진단에 효과적이다.As domestic economic growth and living environment have been westernized recently, heart disease has become one of the major causes of death in Korea, along with cancer and cerebrovascular disease. Typical types of heart disease include coronary artery disease (CAD), arrhythmia, and heart failure. The most important signal in the diagnosis and prognosis of these heart diseases is the electrocardiogram (ECG) signal generated from the activity of the heart, and is particularly effective in the diagnosis of arrhythmia due to electrical stimulation of the heart and conduction disturbance.

또한 심장질환의 조기발견을 위해서는 장시간 측정과 정확한 판독을 필요로 한다. 이와 더불어, 초고속통신망의 발달과 유비쿼터스(ubiquitous) 시대가 도래함에 따라 언제, 어디서나 질병예방 및 관리 등의 서비스를 받을 수 있는 U-헬스케어 시스템의 개발이 활발히 이루어지고 있다.In addition, early detection of heart disease requires long time measurements and accurate readings. In addition, due to the development of high-speed communication network and ubiquitous era, development of U-healthcare system capable of receiving services such as disease prevention and management anytime and anywhere is actively being carried out.

심장 질환의 부정맥과 같은 신호들은 일상생활 중에는 잘 발견되지 않을 때가 많기 때문에 24시간 이상의 측정 및 저장이 필요하다. 따라서 방대한 데이터양을 저장하기 위하여 데이터 압축 또한 필요하다. 그러나 압축된 데이터의 복원시 심전도 신호의 왜곡은 심검자의 건강 판독에 오류를 유발할 수 있다. 또한 적은 데이터양의 신호만으로 심장질환을 진단할 수 없는 심전도 신호의 특성으로 인해 많은 양의 데이터를 분석해야 하며 하드웨어의 제약을 고려해야 하므로 간단한 연산 알고리즘 개발이 필요하다.Signs such as arrhythmia in heart disease are rarely found in everyday life, so measurements and storage over 24 hours are needed. Therefore, data compression is also needed to store large amounts of data. However, distortion of electrocardiogram signal during restoration of compressed data may cause errors in health readings of the examinee. Also, it is necessary to analyze a large amount of data due to the characteristics of electrocardiogram (ECG) signals, which can not diagnose heart disease with only a small amount of data signals.

한편 부정맥 심전도 신호는 대부분 평균 10% 정도의 특이 파형을 갖는다. 따라서 장시간 심전도 신호를 관찰 및 분석해야 하는 의료진에게 심전도 신호 샘플의 90%이상이 축소된 특이 파형만을 제공함으로써 시간과 비용 측면에서 엄청난 효과를 볼 수 있다. 기존의 심전도 진단을 위한 파형 추출 알고리즘은 이동윈도우 적분, 힐버트 변환, 웨이블릿 변환 등 다양한 방법들이 연구되고 있으며, 파형 추출률 또한 높은 수준의 결과들을 보이지만 계산양이 많아 시스템으로 구현하기에는 어려움이 있다.On the other hand, most of the arrhythmia ECG signals have an average waveform of about 10%. Therefore, over 90% of the electrocardiogram signal samples are given only reduced waveforms to medical staff who need to observe and analyze the electrocardiogram signal for a long time, which is a great time and cost effect. Various methods such as moving window integration, Hilbert transform, and wavelet transform have been studied in the waveform extraction algorithm for ECG diagnosis, and the waveform extraction rate is also high, but it is difficult to implement the system because of the large amount of calculation.

원시 심전도 신호의 왜곡은 심검자의 건강 판독에 오류를 유발할 수 있다. 또한 적은 데이터양의 신호만으로 심장질환을 진단할 수 없는 심전도 신호의 특성으로 인해 많은 양의 데이터를 분석해야 하며 하드웨어의 제약을 고려해야 하므로 간단한 연산 알고리즘 개발이 필요하다.Distortion of the raw ECG signal can lead to errors in the health readings of the examinee. Also, it is necessary to analyze a large amount of data due to the characteristics of electrocardiogram (ECG) signals, which can not diagnose heart disease with only a small amount of data signals.

대한민국 등록특허 제10-1309309호Korean Patent No. 10-1309309 대한민국 등록특허 제10-1029386호Korean Patent No. 10-1029386

상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 불응기(Refractory Period)에 기반한 부정맥 심전도 신호의 특이 파형 검출방법을 제공하는 것으로, 의료진에게 심전도 신호 샘플의 90%이상이 축소된 특이 파형만을 제공함으로써 시간과 비용 측면에서 매우 효율적인 심전도 신호의 특이파형 검출방법을 제공하고 함이다. A problem to be solved by the present invention is to provide a method of detecting a specific waveform of an arrhythmia electrocardiogram signal based on a refractory period, in which at least 90% of a sample of an electrocardiogram signal is given a reduced specific waveform And a method of detecting a specific waveform of an electrocardiogram signal which is very efficient in terms of time and cost.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징은, (a) 심전도(ECG) 신호를 전처리하는 단계; (b) 상기 심전도 신호에서 R 정점 후보를 추출하는 단계; (c) 상기 R 정점 후보에 대해 첨도와 전위에 기반한 불응기(Refactory Period: RP)를 산출하는 단계; (d) 상기 불응기 내에 상기 R 정점 후보보다 높은 전위가 있는지 여부를 판단하는 단계; (e) 상기 불응기 내에 상기 R 정점 후보보다 높은 전위가 없는 경우 현재 후보 정점을 R 정점으로 결정하고, 높은 전위가 있는 경우 상기 높은 전위를 새로운 R 정점 후보로 추출하고 상기 (c) 단계 이하를 반복하는 단계; 및 (f) 상기 결정된 R 정점의 전위 값 및 첨도 값이 미리 설정된 문턱값 범위 내에 동시에 없는 경우, 상기 현재의 R 정점을 포함하는 파형을 특이파형으로 검출하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an electrocardiogram (ECG) signal processing method comprising the steps of: (a) preprocessing an ECG signal; (b) extracting R vertex candidates from the electrocardiogram signal; (c) calculating a refactoring period (RP) based on the kurtosis and the potential for the R vertex candidate; (d) determining whether or not there is a potential higher than the R vertex candidate in the refractory period; (e) if there is no potential higher than the R vertex candidate in the refractory period, the current candidate vertex is determined as the R vertex, and if there is a high potential, the high potential is extracted as a new R vertex candidate, Repeating; And (f) detecting the waveform including the current R vertex as a specific waveform when the determined potential value and the kurtosis value of the R vertex are not simultaneously within a preset threshold value range.

여기서, 상기 (f) 단계에서,Here, in the step (f)

상기 문턱값 범위는,The threshold value range may be,

Figure 112014051242441-pat00001
Figure 112014051242441-pat00001

(여기서, mv과 σv는 이전 특이 파형에 포함되지 않은 R-peak들의 전위 평균과 표준편차이고, mk?과?σk는 이전 특이 파형에 포함되지 않은 R-peak들의 첨도 평균과 표준편차이다. 그리고 k1?과 k2는 각각 전위와 첨도의 문턱값이다.) 와 같은 식으로 나타내는 것이 바람직하다.Where m v and σ v are the mean and standard deviation of the R-peaks not included in the previous singular waveform, m k ? And? K are the mean and standard deviation of the R-peaks not included in the previous singular waveform, And k 1 ? And k 2 are the threshold values of the potential and the kurtosis, respectively.

또한, 바람직하게는 상기 (b) 단계는, 이전에 검출한 R 정점 전위의 20% 이상인 점을 상기 R 정점 후보로 검출하는 단계인 것일 수 있다.Preferably, the step (b) may be a step of detecting a point that is 20% or more of a previously detected R vertex potential with the R vertex candidate.

더하여, add,

상기 불응기는,The non-

Figure 112014051242441-pat00002
Figure 112014051242441-pat00002

(여기서, 여기서

Figure 112014051242441-pat00003
는 기준 불응기이고,
Figure 112014051242441-pat00004
는 후보 R-정점의 첨도이고,
Figure 112014051242441-pat00005
는 이전 R-정점의 첨도이며,
Figure 112014051242441-pat00006
는 후보 R-정점의 절대값 전위이고,
Figure 112014051242441-pat00007
는 이전 R-정점의 절대값 전위이다.) 와 같은 식으로 산출되는 것이 바람직하다.(Where,
Figure 112014051242441-pat00003
Is a reference refractory period,
Figure 112014051242441-pat00004
Is the kurtosis of the candidate R-vertex,
Figure 112014051242441-pat00005
Is the kurtosis of the previous R-vertex,
Figure 112014051242441-pat00006
Is the absolute value potential of the candidate R-vertex,
Figure 112014051242441-pat00007
Is the absolute value potential of the previous R-vertex).

그리고, 상기 기준 불응기는 이전 PR 간격의 35%인 것이 바람직하고, 상기 R 정점 후보의 첨도는,It is preferable that the reference refractor is 35% of the PR interval, and the kurtosis of the R vertex candidate is < RTI ID = 0.0 >

Figure 112014051242441-pat00008
Figure 112014051242441-pat00008

와 같은 식으로 산출되는 것이 바람직하다.Is calculated in the same manner as the above.

이와 같은 본 발명은 불응기(Refractory Period)에 기반한 부정맥 심전도 신호의 특이 파형 검출방법을 제공하고, 간단한 방법으로 안정되고 높은 검출율을 제공하고, 연산속도를 더욱 개선할 수 있으며, 실시간 처리를 위한 다양한 응용에 적용이 가능한 특이파형 검출방법을 제공할 뿐만 아니라, 검출에 따른 시간 및 비용의 효율을 효과적으로 개선할 수 있는 심전도 신호의 특이파형 검출방법을 제공한다.The present invention provides a method for detecting a specific waveform of an arrhythmia electrocardiogram signal based on a refractory period, provides a stable and high detection rate by a simple method, can further improve a calculation speed, The present invention provides a specific waveform detection method that can be applied to various applications, as well as a method of detecting a specific waveform of an electrocardiogram signal that can effectively improve time and cost efficiency in detection.

도 1은 심장의 전기적 활성화 단계를 반영하는 심전도 파형의 특징점들을 나타낸 모식도이고,
도 2는 심근세포의 세포막 활동전위를 나타낸 그래프이고,
도 3은 MIT-BIH 101번 레코드의 R파 불응기를 나타낸 그래프이고,
도 4는 세포막 활동전위와 심전도 신호의 파형을 비교한 그래프이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 불응기에 기반한 부정맥 심전도 신호에서 특이파형 검출방법의 흐름을 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 불응기에 기반한 부정맥 심전도 신호에서 특이파형 검출방법을 통해 검출된 R 정점의 첨도를 나타낸 그래프이고,
도 7은 MIT-BIH ADB 101번 레코드들에 대한 특이 파형 검출 결과이고,
도 8은 MIT-BIH ADB 108번 레코드들에 대한 특이 파형 검출 결과이고,
도 9는 MIT-BIH ADB 208번 레코드들에 대한 특이 파형 검출 결과이다.
FIG. 1 is a schematic diagram showing characteristic points of an electrocardiographic waveform reflecting a cardiac electrical activation phase,
2 is a graph showing the cell membrane action potential of myocardial cells,
3 is a graph showing the R wave reflex of the MIT-BIH 101 record,
4 is a graph comparing waveforms of electrocardiographic signals and cell membrane activity potentials,
5 is a flowchart illustrating a specific waveform detection method in an arrhythmia ECG signal based on a non-adaptive period according to an exemplary embodiment of the present invention,
FIG. 6 is a graph showing the kurtosis of the R vertices detected by the specific waveform detection method in the arrhythmia ECG signal based on the refractory period according to the embodiment of the present invention,
7 is a specific waveform detection result for the MIT-BIH ADB 101 records,
8 is a specific waveform detection result for the MIT-BIH ADB 108 records,
FIG. 9 shows the result of detection of the specific waveform for the MIT-BIH ADB 208 records.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish it, will be described with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. The embodiments are provided so that those skilled in the art can easily carry out the technical idea of the present invention to those skilled in the art.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.In the drawings, embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown and are exaggerated for clarity. Also, the same reference numerals denote the same components throughout the specification.

본 명세서에서 "및/또는"이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.
The expression "and / or" is used herein to mean including at least one of the elements listed before and after. Also, singular forms include plural forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, components, steps, operations and elements referred to in the specification as " comprises "or" comprising " refer to the presence or addition of one or more other components, steps, operations, elements, and / or devices.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 불응기에 기반한 부정맥 심전도 신호에서 특이파형 검출방법의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 심전도 신호에서 특이파형 검출방법은, (a) 심전도(ECG) 신호를 전처리하는 단계(S100); (b) 상기 심전도 신호에서 R 정점 후보를 추출하는 단계(S200); (c) 상기 R 정점 후보에 대해 첨도와 전위에 기반한 불응기(Refactory Period: RP)를 산출하는 단계(S300); (d) 상기 불응기 내에 상기 R 정점 후보보다 높은 전위가 있는지 여부를 판단하는 단계(S400); (e) 상기 불응기 내에 상기 R 정점 후보보다 높은 전위가 없는 경우 현재 후보 정점을 R 정점으로 결정하고(S450), 높은 전위가 있는 경우 상기 높은 전위를 새로운 R 정점 후보로 추출하고 상기 (c) 단계 이하를 반복하는 단계(S400); 및 (f) 상기 결정된 R 정점의 전위 값 및 첨도 값이 미리 설정된 문턱값 범위 내에 동시에 없는 경우(S500), 상기 현재의 R 정점을 포함하는 파형을 특이파형으로 검출하는 단계(S600)를 포함하여 구성된다.5 is a flowchart illustrating a specific waveform detection method in an arrhythmia ECG signal based on a non-adaptive period according to an exemplary embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the method for detecting a specific waveform in an electrocardiogram signal according to an embodiment of the present invention includes: (a) preprocessing an ECG signal (S100); (b) extracting R vertex candidates from the electrocardiogram signal (S200); (c) calculating a refactoring period (RP) based on the kurtosis and the potential for the R vertex candidate (S300); (d) determining whether there is a potential higher than the R vertex candidate in the refractory period (S400); (e) if there is no potential higher than the R vertex candidate in the reflexive period, the current candidate vertex is determined as the R vertex (S450); if there is a high potential, the high potential is extracted as a new R vertex candidate; Repeating steps (S400); And (f) detecting the waveform including the current R vertex as a specific waveform when the determined potential value and the kurtosis value of the R peak are not simultaneously within a preset threshold value range (S500) (S600) .

이와 같이 본 발명은 불응기(Refractory Period)에 기반한 부정맥 심전도 신호의 특이 파형 검출방법을 제안하는 것으로, 부정맥 심전도 신호는 대부분 평균 10% 정도의 특이 파형을 갖기 때문에, 장시간 심전도 신호를 관찰 및 분석해야 하는 의료진에게 심전도 신호 샘플의 90%이상이 축소된 특이 파형만을 제공함으로써 시간과 비용 측면에서 매우 큰 효과를 볼 수 있는 심전도 신호의 특이파형 검출방법을 제공한다.As described above, the present invention proposes a method of detecting a specific waveform of an arrhythmia electrocardiogram signal based on a refractory period. Most of the arrhythmia electrocardiogram signals have an average waveform of about 10%, so long-term electrocardiographic signals must be observed and analyzed The present invention provides a method of detecting a specific waveform of an electrocardiogram signal that can provide a great effect in terms of time and cost by providing only a reduced waveform of at least 90% of the electrocardiogram signal samples to a medical staff.

또한 본 발명에 따른 심전도 신호의 특이파형 검출방법은, R-파의 특징과 가변 불응기를 이용하여 R-peak를 검출하고, 검출된 R-peak에 대해 특이 파형에 포함되지 않은 R-peak들의 전위 및 첨도의 평균과 표준편차를 이용하여 특이 파형을 검출함으로써, 알고리즘을 MIT-BIH 부정맥 데이터베이스의 모든 레코드에 적용한 결과 평균 90% 이상의 압축률을 보였다.
Also, the method of detecting a specific waveform of an electrocardiogram signal according to the present invention detects an R-peak using a characteristic of an R-wave and a variable refractory, and detects a potential of R-peaks not included in a specific waveform with respect to the detected R- And the mean and standard deviation of the kurtosis, the algorithm was applied to all records in the MIT-BIH arrhythmia database and showed an average compression rate of 90% or more.

심전도 신호 및 Electrocardiogram signal and 불응기Refusal

심장의 순환 작용은 심근이 수축과 확장을 반복하기 때문에 이루어지는데 심장이 박동할 때마다 미약한 전기가 생기며, 그것으로 인하여 신체 내에 전류가 흐르게 되고 이 전류에 의하여 신체 표면에 전위가 형성된다. 이렇게 생긴 작은 전위 변화를 신체 표면의 적당한 부위에 일정한 방법으로 유도해서 증폭하여 기록한 것이 심전도이다.The circulation of the heart is made because the myocardium repeats contraction and expansion. Whenever the heart beats, a weak electricity is generated, which causes current to flow in the body and this electric current forms a potential on the body surface. Electrocardiogram (ECG) is a small electric potential change induced by a certain method on the appropriate part of the body surface.

도 1은 심장의 전기적 활성화 단계를 반영하는 심전도 파형의 특징점들을 나타낸 모식도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 심전도 파형의 특징점들은 기본적으로 P, Q, R, S, T 파로 구성된다. P파는 심방 탈분극 시기에 발생하며, QRS군은 심실 탈분극 시기, T파는 심실 재분극 시기를 나타낸다. 심방의 탈분극은 동방결절 부근에서 시작되며, 심방을 가로질러 오른쪽에서 왼쪽으로 진행된다. 따라서 P파의 첫 부분은 우심방의 탈분극을 나타내며, P파의 뒷부분은 좌심방의 탈분극을 나타낸다.1 is a schematic diagram showing characteristic points of an electrocardiographic waveform that reflects an electrical activation phase of a heart. As shown in FIG. 1, the characteristic points of the ECG waveform are basically composed of P, Q, R, S, and T waves. P wave occurs at the time of atrial depolarization, QRS group shows ventricular depolarization, and T wave indicates ventricular repolarization. Atrial depolarization begins in the vicinity of the superior nodal region and proceeds from right to left across the atrium. Thus, the first part of the P wave represents the depolarization of the right atrium, and the posterior part of the P wave represents depolarization of the left atrium.

QRS군은 심실의 탈분극 상태를 나타낸다. 심실의 탈분극은 방실접합부 부근의 심실간 중격의 왼쪽 부분에서 시작되어 심실간 중격을 가로질러 왼쪽에서 오른쪽으로 진행된다. 정상 R파는 QRS군내에서 가장 높고 예리한 파형을 보이며, Q파는 심실간 중격의 탈분극을 나타내고, QRS군의 나머지 부분은 동시적으로 일어나는 좌. 우 심실의 탈분극을 나타낸다. PR 간격은 정상적일 경우 0.2초를 넘지 않으며, QRS군은 보통 0.12초 이내이고, QT 간격은 0.4초 정도이다. 또한 정상 R파는 처음 기록된 상향파로 정의되며, Q파는 R파 앞에 기록된 하향파로 정의되고, S파는 R파 다음에 기록된 하향파로 정의된다.The QRS group represents the ventricular depolarization state. Ventricular depolarization begins at the left side of the interventricular septum near the AV junction and proceeds from left to right across the interventricular septum. The normal R wave has the highest and sharpest waveform in the QRS complex, Q wave represents ventricular septal depolarization, and the rest of the QRS complex is synchronous. It represents the depolarization of the right ventricle. The PR interval does not exceed 0.2 seconds in normal cases, within 0.12 seconds in the QRS group, and 0.4 seconds in the QT interval. The normal R wave is defined as the first recorded upward wave, Q wave is defined as the downward wave recorded before the R wave, and the S wave is defined as the downward wave recorded after the R wave.

기간(duration), 이웃 파와의 간격(interval), 이웃 파와의 연결부(segment), 파의 크기(amplitude), 파의 첨도 등의 핵심 요소에 의해 파악이 가능하다. 특히 심전도 신호의 R파는 가장 큰 신호로서 대표점이라 할 수 있으며, 이 점을 기준으로 다양한 특징점을 검출하기 때문에 R파의 검출 성능을 높이기 위한 알고리즘 개발에 많은 노력을 기울여 왔다.
It can be grasped by key elements such as duration, interval with neighboring wave, segment with neighboring wave, amplitude of wave, Especially, R wave of electrocardiogram signal is the largest signal, and it can be regarded as representative point. Since various feature points are detected based on this point, much effort has been made to develop an algorithm for improving R wave detection performance.

도 2는 심근세포의 세포막 활동전위를 나타낸 그래프이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 심근이나 신경은 일단 흥분하면 그 후 일정 시간은 흥분성을 잃고, 자극을 받아도 흥분하지 않는데 이 시간을 불응기라 한다. 심근에도 불응기가 있기 때문에 심실이 수축을 일으키면 다음의 같은 자극이 왔을 때, 심실이 불응기에 들어 있어서 수축하지 않고 휴지기가 된다. 강한 자극에도 응하지 않는 절대적 불응기와 강한 자극에만 응하는 상대적 불응기로 나눈다.
2 is a graph showing the cell membrane action potential of myocardial cells. As shown in Fig. 2, myocardium or nerves lose excitability for a certain period of time once they are excited, and they are not excited even if they are stimulated. If the ventricle contracts due to refusal of the myocardium, when the following stimulus comes, the ventricle is in the reflex phase and does not contract and becomes the resting phase. It divides into absolute refractory not responding to strong stimulus and relative refractory only to strong stimulus.

도 3은 MIT-BIH 101번 레코드의 R파 불응기를 나타낸 그래프이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 심전도 신호의 표본 주파수를 360Hz로 하며 관측해보면, 정상 심전도 신호인 경우 RR 간격은 875ms이며, QRS군의 경우 R-R 간격의 10%정도인 88ms이다. Q파와 R-peak 전위까지의 시간은 RR 간격의 5%정도인 44ms 이고, R-peak전위부터 절대불응기가 종료되는 시간은 RR 간격의 25%정도인 217ms, 상대 불응기는 RR 간격의 20%정도인 175ms 정도가 된다.
3 is a graph showing the R wave reflex of the MIT-BIH 101 record. As shown in FIG. 3, when the sample frequency of the electrocardiogram signal is 360 Hz, the RR interval is 875 ms for a normal electrocardiogram signal and 88 ms is about 10% of an RR interval for a QRS group. The time to Q-wave and R-peak potential is 44ms, which is about 5% of the RR interval. The absolute reflex termination time from the R-peak potential is 217ms, which is 25% of the RR interval. Which is about 175 ms.

도 4는 세포막 활동전위와 심전도 신호의 파형을 비교한 그래프이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, QRS군이 시작되면서 일정 시간 동안은 절대적 불응기에 접에 들고 그 이후에는 상대적 불응기에 접어들게 된다. 그림 4에서 보면 심근세포의 활동전위를 단계별로 나눌 때 QRS군은 1단계에 속하며 T파는 3단계에 속하고, 여기서 R-R 간격은 경우에 따라 최소 절대 불응기나 또는 상대 불응기까지의 시간을 반드시 가지는 것을 알 수 있다. 4 is a graph comparing waveforms of electrocardiographic signals with cell membrane activity potentials. As shown in FIG. 4, when the QRS complex is started, it reaches the absolute refractory period for a certain period of time and enters the relative refractory period thereafter. As shown in Fig. 4, when the activity potential of myocardial cells is divided into stages, the QRS complex belongs to the first stage and the T wave belongs to the third stage. Here, the RR interval necessarily has time to the minimum absolute reflex period or relative reflex period .

그러나R파는 심실의 탈분극 시기에 이루어지는데 여러 가지 요인(전도, 생성 장애)에 의해서 그 모양이 정상파형과 차이를 보인다. 이런 장애요인들은 심실이 재분극하거나, 다시 탈분극까지의 주기에 영향을 미치는데, 이는 R파가 탈분극 후However, the R wave occurs at the time of ventricular depolarization, and its shape differs from the normal waveform due to various factors (conduction, generation disorder). These obstacles affect the cycle from ventricular repolarization to depolarization, since the R wave is depolarized

다른 자극에도 반응을 하지 않는 시간인 불응기가 달라진다. 따라서 가변 불응기의 정확한 계산은 파형 검출의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
The refractory time, which is the time that does not respond to other stimuli, changes. Accurate calculation of the variable refractor can therefore greatly improve the performance of waveform detection.

부정맥 심전도 신호는 평균 10% 정도의 특이 파형을 가지므로, 장시간 심전도 신호를 관찰 및 분석해야 하는 경우에 심전도 신호 샘플의 90%이상이 압축된 특이 파형을 검출하는 것은 매우 중요하다. 본 발명의 실시예에서는 가변 불응기에 기반한 부정맥 심전도 신호의 특이 파형 검출방법을 제안하는 것으로, 제안된 검출방법은 후보 R-peak의 전위, 심근의 가변 불응기, 그리고 이웃한 파형 간의 첨도를 사용하여 정확한 R-peak를 검출하고, 검출된 R-peak에 대해 특이 파형에 포함되지 않은 R-peak들의 전위 및 첨도의 평균과 표준편차를 이용하여 특이 파형을 검출한다. 제안 방법에 따른 알고리즘의 성능은 R-peak 검출의 정확도에 달려있다. Since the arrhythmia ECG signal has an average waveform of about 10%, it is very important to detect a specific waveform with more than 90% of the ECG signal samples compressed when a long time ECG signal is observed and analyzed. In the embodiment of the present invention, a method of detecting a specific waveform of an arrhythmia ECG signal based on a variable refractory period is proposed. The proposed detection method uses a potential of a candidate R-peak, a variable refractory period of the myocardium, The exact R-peak is detected, and a specific waveform is detected using the mean and standard deviation of the potential and the kurtosis of the R-peaks not included in the specific waveform for the detected R-peak. The performance of the algorithm according to the proposed method depends on the accuracy of R-peak detection.

R-peak 검출에 관한 많은 연구들 중 대표적인 방법인 Pan and tomkins가 제안한 실시간 QRS군 검출 알고리즘이 있다. 이 알고리즘은 정상 파형에 대해서는 좋은 결과를 나타내지만, R파 검출하는 데에는 많은 계산량을 필요로 하며, 특이 파형이 많이 존재하는 부정맥 신호에서는 현저히 낮은 R파 검출률을 보인다. 제안 알고리즘의 적응적 불응기를 이용한R-peak 검출 방법은 99% 이상의 검출률을 가지며 계산량도 작아 실시간 처리가 가능한 방법이다.
There are real-time QRS group detection algorithms proposed by Pan and tomkins, which are representative methods of R-peak detection. Although this algorithm shows good results for normal waveforms, it requires a large amount of computation to detect R waves, and has a significantly lower R wave detection rate in arrhythmia signals with many specific waveforms. The R-peak detection method using the adaptive reflex of the proposed algorithm has a detection rate of 99% or more and a small amount of computation, which is a real-time processing method.

본 발명의 실시예에서는R-peak 검출을 적응적 불응기를 이용한 R-peak 검출방법을 사용한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 심전도 신호의 특이파형 검출방법 알고리즘의 블록도이며, 전처리, 후보 R-peak 검출, 불응기 계산, R-peak 검출, 그리고 특이 파형 검출 등의 과정으로 이루어져 있다.
In the embodiment of the present invention, R-peak detection is performed using an R-peak detection method using an adaptive reflex. FIG. 5 is a block diagram of an algorithm for detecting a specific waveform of an electrocardiogram signal according to an embodiment of the present invention, and comprises a preprocessing, candidate R-peak detection, refractory calculation, R-peak detection, .

단계1: 심전도 신호의 전처리를 수행한다. 기저선 평활화 등의 전처리를 위해 Morphology Pair 방법을 사용한다.(S100)Step 1: Perform preprocessing of ECG signal. Morphology pair method is used for preprocessing such as baseline smoothing (S100).

단계2: 상대적으로 높은 전위 점을 R-peak 후보로 추출한다. 앞서 검출된 R-peak 전위의 20% 이상인 peak로 후보 R-peak를 추출한다.(S200)Step 2: Extract relatively high dislocation points as R-peak candidates. The candidate R-peak is extracted from the peak that is 20% or more of the detected R-peak potential (S200).

단계3: 단계 2에서 추출된 후보 R-peak에 대해 첨도와 전위에 기반한 불응기 RP를 계산한다. 후보 R-peak에 대해 RP는 [수학식 1]에서 계산된다.(S300)
Step 3: Calculate the refractory RP based on the kurtosis and dislocation for the candidate R-peak extracted in step 2. The RP for the candidate R-peak is calculated in Equation (1) (S300)

Figure 112014051242441-pat00009
Figure 112014051242441-pat00009

여기서 RPref는 기준 불응기로서 이전 R-R간격의 35% 이고, ?KR - peak는 후보 R-peak의 첨도이고, KR _ peak _ prev는 이전 R-peak의 첨도이고, VR_peak는 후보 R-peak의 전위이고, VR _ peak _ prev는 이전 R-peak의 전위이다. 또한 첨도는 곡률을 나타내어 그 값이 클수록 파형의 형태가 뾰족해 진다. 즉 첨도는 후보 R-peak의 전위 기울기를 이용하여 구할 수 있다.Where RP ref is 35% of the previous RR interval as a group based refractory, K R -? Peak is the kurtosis of candidate R-peak, peak K R _ _ prev is the kurtosis of the previous R-peak, the candidate VR_peak R- V R _ peak _ prev is the potential of the previous R-peak. Also, the kurtosis indicates the curvature, and the larger the value is, the sharpness of the waveform becomes. That is, the kurtosis can be obtained by using the potential gradient of the candidate R-peak.

도 6에 나타낸 바와 같이, 상향과 하향 파형에 대하여 샘플 간격 2.778msec(표본주파수 360Hz)인 경우, R-peak 전위의 1/2 전위 부근을 기준으로 하여 후보 peak의 첨도는 [수학식 2]와 같다.
As shown in FIG. 6, when the sample interval is 2.778 msec (sample frequency is 360 Hz) with respect to the upward and downward waveforms, the kurtosis of the candidate peak with reference to the vicinity of the 1/2 potential of the R-peak potential is expressed by Equation 2 same.

Figure 112014051242441-pat00010
Figure 112014051242441-pat00010

단계4: 불응기내에서 R-파가 갖는 높은 전위의 특징을 이용하여 R-peak를 검출한다. 불응기내에 R-peak 후보 보다 더 높은 전위가 없으면 현재 후보 peak를 R-peak로 결정하고, 더 높은 전위가 있으면 현재 후보 peak는 버리고 더 높은 전위를 갖는 peak가 새로운 후보 peak가 된다.(S400)Step 4: Detect the R-peak using the high potential of the R-wave in the non-resonant mode. If there is no potential higher than that of the R-peak candidate, the current candidate peak is determined as the R-peak, and if there is a higher potential, the current candidate peak is discarded and the peak having the higher potential becomes the new candidate peak (S400).

단계 5: 검출된 R-peak의 전위와 첨도 값에 따라 특이파형을 검출한다. 현재의 R-peak 전위 값(VR _ peak)과 첨도값(KR_peak)이 [수학식 3]과 [수학식 4]를 동시에 만족하지 못하면 특이파형의 R-peak이고, 이를 포함한 beat를 특이 파형으로 검출한다.(S500,S600)
Step 5: Detect the specific waveform according to the potential and the kurtosis value of the detected R-peak. And the current R-peak voltage value (V R _ peak) and the Kurtosis value (K R_peak) the formula 3 and the R-peak of the specific waveform does not meet the Equation 4] at the same time, specific to beat, including this (S500, S600).

Figure 112014051242441-pat00011
Figure 112014051242441-pat00011

Figure 112014051242441-pat00012
Figure 112014051242441-pat00012

여기서 mv과 σv는 이전 특이 파형에 포함되지 않은 R-peak들의 전위 평균과 표준편차이고, mk?과?σk는 이전 특이 파형에 포함되지 않은 R-peak들의 첨도 평균과 표준편차이다. 그리고 k1?과 k2는 각각 전위와 첨도의 문턱값이다. [수학식 3]과 [수학식 4]는 장시간 획득된 심전도 신호의 전위와 첨도의 분포가 정규분포를 따른다는 가정 하에 제안 되었다. 새로운 R-peak에 대해 단계 3에서 5까지를 반복한다.
Where m v and σ v are the mean and standard deviation of the R-peaks not included in the previous singular waveform, and m k ? And? Σ k are the mean and standard deviation of the kurtosis of the R-peaks not included in the previous singular waveform . And k 1 ? And k 2 are thresholds of potential and kurtosis, respectively. [Equation 3] and [Equation 4] are proposed on the assumption that the distribution of the potential and the kurtosis of the electrocardiogram obtained over a long period of time follows a normal distribution. Repeat steps 3 through 5 for the new R-peak.

3. 실험 및 고찰3. Experiments and Considerations

제안 알고리즘의 성능 평가를 위해서 심전도 신호 처리연구에 사용되는 표준 DB인 MIT-BIH ADB를 사용하였다. DB의 모든 레코드에 포함된 신호들은 표본화 주파수가 360Hz로 30분 동안 획득된 신호들이다. 그리고 102번과 104번 레코드는 리드 5신호이고, 그 외 모든 레코드는 리드 2신호이다. 실험에서 사용한 PC환경은 Intel i3 550 CPU, 4G DDR3 RAM이고, 운영체제는 Windows XP Professional이고, 시뮬레이션은 MATLAB version7.8 32bit를 사용하였다. 다음 [수학식 5]의 압축률(CR)을 사용하여 제안 알고리즘의 특이 파형 검출 성능을 확인하였다.
To evaluate the performance of the proposed algorithm, MIT-BIH ADB, a standard DB used in electrocardiogram signal processing research, was used. Signals included in all records in the DB are the signals sampled at a sampling frequency of 360 Hz for 30 minutes. And records 102 and 104 are read 5 signals, and all other records are read 2 signals. The PC environment used in the experiments was Intel i3 550 CPU, 4G DDR3 RAM, Windows XP Professional operating system, and MATLAB version7.8 32bit simulation. The performance of detecting the specific waveform of the proposed algorithm is confirmed by using the compression ratio (CR) of the following [Equation 5].

Figure 112014051242441-pat00013
Figure 112014051242441-pat00013

여기서 Total beats는 MIT-BIH ADB 23개 레코드에 포함된 총 beat 수이고, Unusual beats는 제안 알고리즘이 검출한 특이 파형의 총 beat 수이다.Here, Total beats is the total number of beats included in 23 records of the MIT-BIH ADB, and Unusual beats is the total number of beat of the specific waveform detected by the proposed algorithm.

[표 1]은 MIT-BIH ADB 23개 레코드에 대한 제안 알고리즘의 실험 결과이다. 표에서 확인 할 수 있듯이 제안알고리즘은 평균 90% 높은 압축률을 보인다. k1?과 k2는 전위와 첨도의 표준편차 값에 따라 결정하였다. [표 1]의 실험결과는 k1?과 k2를 평균 1.65로 했을 때의 결과이다.[Table 1] shows the experimental results of the proposed algorithm for 23 records of MIT-BIH ADB. As shown in the table, the proposed algorithm shows an average compression ratio of 90%. k 1 ? and k 2 were determined according to the standard deviation of the potential and the kurtosis. The experimental results in [Table 1] show the results when k 1 ? And k 2 are 1.65.

도 7, 도 8 그리고 도 9는 MIT-BIH ADB 101번, 108번, 그리고 208번 레코드들에 대한 특이 파형 검출 결과를 나타낸다. 그림에서 확인할 수 있듯이 제안 알고리즘이 정확하게 특이 파형을 검출함을 알 수 있다.
FIGS. 7, 8 and 9 show the detection results of the specific waveforms for the MIT-BIH ADB 101, 108, and 208 records. As shown in the figure, it can be seen that the proposed algorithm correctly detects the singular waveform.

Figure 112014051242441-pat00014
Figure 112014051242441-pat00014

이와 같이, 본 발명에서는 불응기에 기반한 부정맥 심전도 신호의 특이 파형 검출방법으로서 검출 알고리즘을 제안하였다. 먼저 가변 불응기에 기반하여 R-peak를 검출하고 검출된 R-peak에 대해 특이 파형에 포함되지 않은 R-peak들의 전위 및 첨도의 평균과 표준편차를 이용하여 특이 파형을 검출하였다. 제안한 알고리즘을 MIT-BIH 부정맥 데이터베이스의 모든 레코드에 적용한 결과 평균 90% 이상의 데이터 압축율을 보였다. 따라서 장시간 심전도 신호를 관찰 및 분석해야 하는 의료진에게 심전도 신호 샘플의 90% 이상이 축소된 특이 파형만을 제공함으로써 시간과 비용 측면에서 매우 큰 효과를 볼 수있다.
As described above, the present invention proposes a detection algorithm as a method of detecting a specific waveform of an arrhythmia ECG signal based on a refractory period. First, R-peaks were detected on the basis of the variable imperfection, and specific waveforms were detected using the mean and standard deviation of the R-peaks of the R-peaks not included in the specific waveform for the detected R-peaks. Applying the proposed algorithm to all records in the MIT-BIH arrhythmia database, the average data compression rate was 90% or more. Therefore, more than 90% of the electrocardiogram signal samples are provided to the medical staff who need to observe and analyze the electrocardiogram signal over a long period of time.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.While the invention has been shown and described with respect to the specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Anyone with it will know easily.

Claims (6)

(a) 심전도(ECG) 신호를 전처리하는 단계;
(b) 상기 심전도 신호에서 R 정점 후보를 추출하는 단계;
(c) 상기 R 정점 후보에 대해 첨도와 전위에 기반한 불응기(Refactory Period: RP)를 산출하는 단계;
(d) 상기 불응기 내에 상기 R 정점 후보보다 높은 전위가 있는지 여부를 판단하는 단계;
(e) 상기 불응기 내에 상기 R 정점 후보보다 높은 전위가 없는 경우 현재 후보 정점을 R 정점으로 결정하고, 높은 전위가 있는 경우 상기 높은 전위를 새로운 R 정점 후보로 추출하고 상기 (c) 단계 이하를 반복하는 단계; 및
(f) 상기 결정된 R 정점의 전위 값 및 첨도 값이 미리 설정된 문턱값 범위 내에 동시에 없는 경우, 상기 현재의 R 정점을 포함하는 파형을 특이파형으로 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 불응기에 기반한 부정맥 심전도 신호에서 특이파형 검출방법.
(a) preprocessing an electrocardiogram (ECG) signal;
(b) extracting R vertex candidates from the electrocardiogram signal;
(c) calculating a refactoring period (RP) based on the kurtosis and the potential for the R vertex candidate;
(d) determining whether or not there is a potential higher than the R vertex candidate in the refractory period;
(e) if there is no potential higher than the R vertex candidate in the refractory period, the current candidate vertex is determined as the R vertex, and if there is a high potential, the high potential is extracted as a new R vertex candidate, Repeating; And
(f) detecting the waveform including the current R vertex as a specific waveform when the determined potential value and the kurtosis value of the R vertex are not simultaneously within a preset threshold value range. Detection of specific waveforms in arrhythmia electrocardiogram signals.
제1항에 있어서,
상기 (f) 단계에서,
상기 문턱값 범위는,
Figure 112014051242441-pat00015

(여기서, mv과 σv는 이전 특이 파형에 포함되지 않은 R-peak들의 전위 평균과 표준편차이고, mk?과?σk는 이전 특이 파형에 포함되지 않은 R-peak들의 첨도 평균과 표준편차이다. 그리고 k1?과 k2는 각각 전위와 첨도의 문턱값이다.)
와 같은 식으로 나타내는 것을 특징으로 하는 불응기에 기반한 부정맥 심전도 신호에서 특이파형 검출방법.
The method according to claim 1,
In the step (f)
The threshold value range may be,
Figure 112014051242441-pat00015

Where m v and σ v are the mean and standard deviation of the R-peaks not included in the previous singular waveform, m k ? And? K are the mean and standard deviation of the R-peaks not included in the previous singular waveform, And k 1 ? And k 2 are the thresholds of potential and kurtosis, respectively.)
And detecting the abnormal waveform in the arrhythmia electrocardiogram signal based on the refractory period.
제2항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
이전에 검출한 R 정점 전위의 20% 이상인 점을 상기 R 정점 후보로 검출하는 단계인 것을 특징으로 하는 불응기에 기반한 부정맥 심전도 신호에서 특이파형 검출방법.
3. The method of claim 2,
The step (b)
Detecting a point that is 20% or more of a previously detected R vertex potential as the R vertex candidate.
제2항에 있어서,
상기 불응기는,
Figure 112014051242441-pat00016

(여기서, 여기서
Figure 112014051242441-pat00017
는 기준 불응기이고,
Figure 112014051242441-pat00018
는 후보 R-정점의 첨도이고,
Figure 112014051242441-pat00019
는 이전 R-정점의 첨도이며,
Figure 112014051242441-pat00020
는 후보 R-정점의 절대값 전위이고,
Figure 112014051242441-pat00021
는 이전 R-정점의 절대값 전위이다.)
와 같은 식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 심전도 신호에서 적응적 불응기를 이용한 R-파 검출방법.
3. The method of claim 2,
The non-
Figure 112014051242441-pat00016

(Where,
Figure 112014051242441-pat00017
Is a reference refractory period,
Figure 112014051242441-pat00018
Is the kurtosis of the candidate R-vertex,
Figure 112014051242441-pat00019
Is the kurtosis of the previous R-vertex,
Figure 112014051242441-pat00020
Is the absolute value potential of the candidate R-vertex,
Figure 112014051242441-pat00021
Is the absolute value potential of the previous R-vertex.)
And calculating an R-wave using the adaptive reflex in the electrocardiogram signal.
제4항에 있어서,
상기 기준 불응기는 이전 PR 간격의 35%인 것을 특징으로 하는 심전도 신호에서 적응적 불응기를 이용한 R-파 검출방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the reference refractor is 35% of the previous PR interval.
제1항에 있어서,
상기 R 정점 후보의 첨도는,
Figure 112014051242441-pat00022

와 같은 식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 심전도 신호에서 적응적 불응기를 이용한 R-파 검출방법.


The method according to claim 1,
The kurtosis of the R vertex candidates may be expressed as:
Figure 112014051242441-pat00022

And calculating an R-wave using the adaptive reflex in the electrocardiogram signal.


KR20140065457A 2014-05-29 2014-05-29 Unusual waveform detection method in ECG signal based on Refractory Period KR101511204B1 (en)

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