KR101526774B1 - 압축센싱을 이용한 심전도 신호 전송 방법 및 이를 이용한 모니터링 시스템 - Google Patents

압축센싱을 이용한 심전도 신호 전송 방법 및 이를 이용한 모니터링 시스템 Download PDF

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KR101526774B1
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김경호
박영식
오주영
김진영
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 압축 센싱을 이용한 심전도 신호 전송 방법, 심전도 신호 전송 장치 및 이를 이용한 모니터링 시스템에 대한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 사용자의 심전도 신호를 측정하는 심전도 센싱부; 상기 측정된 심전도 신호를 밴드패스 필터를 이용하여 필터링하고, 필터링 된 심전도 신호를 압축센싱하는 프로세서; 및 상기 압축센싱 된 심전도 신호를 심전도 모니터링 장치로 전송하는 데이터 통신부; 를 포함하는 심전도 측정 장치와, 상기 압축센싱된 심전도 신호를 수신하는 제 1 통신부; 상기 압축센싱된 심전도 신호를 복원하고, 복원된 심전도 신호를 분석하는 프로세서; 및 상기 심전도 분석 데이터를 출력하는 디스플레이 유닛; 을 포함하는 심전도 모니터링 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축센싱을 이용한 심전도 모니터링 시스템을 제공한다.

Description

압축센싱을 이용한 심전도 신호 전송 방법 및 이를 이용한 모니터링 시스템{A METHOD FOR TRANSMITTING AN ELECTROCARDIOGRAPHY SIGNAL USING COMPRESSED SENSING AND A MONITORING SYSTEM USING THEREOF}
본 발명은 압축센싱을 이용한 심전도 신호 전송 방법, 심전도 신호 전송 장치 및 이를 이용한 모니터링 시스템에 대한 것이다.
최근 정보통신기술(Information & Communication Technology, ICT)이 발달하면서, 기존의 기술들과 정보통신기술을 융합한 새로운 기술들이 창출되고 있다. 이러한 융합 기술들 중에 정보통신기술과 의료기술이 융합된 유헬스(u-Helath) 서비스 관련 기술이 있다. 유헬스란 '언제, 어디서나 존재한다'는 뜻의 유비쿼터스(Ubiquitous)와 건강을 뜻하는 헬스(Health)의 합성어를 뜻하며, 유헬스 서비스는 기존의 건강, 의료 시스템에 인터넷, 모바일 등의 정보통신기술을 융합하여 언제, 어디서나 이용자에게 건강에 대한 정보를 제공하는 서비스를 말한다.
한편, 심전도(Electrocardiography, ECG)란 심박동과 관련된 전위를 신체 표면에서 도형으로 기록한 것이다. 심전도 검사는 정확하고 간단하여 쉽게 반복하여 수행할 수 있으며, 검사비용이 비교적 저렴한 비관혈 검사이기 때문에, 부정맥과 관상동맥질환(심장동맥질환) 등의 심장 질환의 진단에 가장 많이 사용되고 있다. 기존의 심전도 신호 측정 및 모니터링 시스템은 병원 등의 제한된 공간에서 심전도를 측정하거나, 휴대용 심전도 측정 기기를 이용하여 실내 및 실외에서 측정하는 방법을 사용한다. 그러나 제한된 공간에서 심전도를 측정할 경우 실시간으로 모니터링하기 어려운 단점이 있으며, 휴대용 심전도 측정 기기를 이용할 경우에도 전송해야 할 심전도 신호의 데이터 양이 커지게 되면 유헬스 서비스를 제공하기 어려운 단점이 있다.
공개번호: 10-1999-0006265 (재택의료시스템 및 그 재택의료시스템용 의료장치) 공개번호: 10-2000-0030153 (통신망을 이용한 심전도 데이터 관리 시스템)
본 발명은 기존의 심전도 측정 및 모니터링 기술의 공간적 제약 문제를 해소하고, 실시간 측정 및 모니터링 방법을 통해 유헬스 서비스를 제공하기 위한 목적을 가지고 있다.
또한, 본 발명은 데이터의 고 용량화로 인한 실시간 심전도 모니터링의 어려움을 해결하고, 개인 사용자들의 일상 생활에 밀착된 심전도 측정 및 모니터링 방법을 제공하기 위한 목적을 가지고 있다.
또한, 본 발명은 기존의 스마트폰, 웨어러블 디바이스 등의 다양한 휴대용 장치 등과 연동함으로, 개인 사용자들이 별도의 장비 없이도 간편하게 유헬스 서비스를 제공받을 수 있게 하기 위한 목적을 가지고 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 압축센싱을 이용한 심전도 모니터링 시스템은, 사용자의 심전도 신호를 측정하는 심전도 센싱부; 상기 측정된 심전도 신호를 밴드패스 필터를 이용하여 필터링하고, 필터링 된 심전도 신호를 압축센싱하는 프로세서; 및 상기 압축센싱 된 심전도 신호를 심전도 모니터링 장치로 전송하는 데이터 통신부; 를 포함하는 심전도 측정 장치와, 상기 압축센싱된 심전도 신호를 수신하는 제 1 통신부; 상기 압축센싱된 심전도 신호를 복원하고, 복원된 심전도 신호를 분석하는 프로세서; 및 상기 심전도 분석 데이터를 출력하는 디스플레이 유닛; 을 포함하는 심전도 모니터링 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 압축센싱에 사용되는 샘플링 레이트는 나이퀴스트 주파수 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 데이터 통신부 및 제 1 통신부는 블루투스 통신 모듈인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 데이터 통신부 및 제 1 통신부는 Zigbee, 적외선 통신, WBAN(Wireless Body Area Network), NFC(Near Field Communication), UWB(Ultra Wide Band) 모듈 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 심전도 모니터링 장치는, 상기 심전도 분석 데이터를 서버로 전송하는 제 2 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 2 통신부는 이동 통신 모듈 및 무선랜 모듈 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다..
또한, 상기 심전도 분석 데이터는 상기 복원된 심전도 신호의 파형 및 심박동수를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압축센싱을 이용한 심전도 측정 장치는, 사용자의 심전도 신호를 측정하는 심전도 센싱부; 상기 측정된 심전도 신호를 필터링하는 밴드패스 필터; 상기 필터링 된 심전도 신호를 나이퀴스트 주파수 이하의 샘플링 레이트로 압축센싱 하는 압축센싱 인코더; 및 상기 압축센싱 된 심전도 신호를 심전도 모니터링 장치로 전송하는 데이터 통신부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압축센싱을 이용한 심전도 모니터링 장치는, 심전도 측정 장치로부터 압축센싱된 심전도 신호를 수신하는 제 1 통신부; 상기 압축센싱된 심전도 신호를 복원하는 압축센싱 디코더; 상기 복원된 심전도 신호를 분석하는 심전도 데이터 분석부; 및 심전도 분석 데이터를 출력하는 디스플레이 유닛; 을 포함하되 상기 심전도 분석 데이터는 상기 복원된 심전도 신호의 파형 및 심박동수를 포함하며, 상기 압축센싱된 심전도 신호는 나이퀴스트 주파수 이하로 샘플링 된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압축센싱을 이용하여 심전도 신호의 데이터를 압축함으로, 심전도 측정 장치가 전송해야 할 데이터의 양을 획기적으로 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 저전력의 휴대 장치에 심전도 측정 장치를 탑재하여 사용자의 심전도를 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 열악한 데이터 통신 환경에서도 효율적으로 유헬스 서비스를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 심전도 측정 장치를 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 심전도 모니터링 장치를 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 심전도 측정 장치의 심전도 신호 방법을 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 심전도 모니터링 장치의 심전도 신호 처리 방법을 나타낸 순서도.
도 5는 측정된 원본 ECG 신호를 압축센싱하고 이를 복원하는 일련의 단계를 나타낸 도면.
도 6은 심전도 신호의 파형을 개략적으로 나타낸 도면.
도 7은 압축센싱의 압축비(Compression Factor, CF)에 따른 심전도 특징점 추출 결과를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 심전도 측정 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도, 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한 특정 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가진 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 심전도 측정 장치(100)를 나타낸 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 심전도 측정 장치(100)는 ECG 센싱부(110), 프로세서(120), 데이터 통신부(130) 및 데이터 저장부(140)를 포함한다.
먼저, ECG 센싱부(110)는 구비된 적어도 하나의 센서를 이용하여 사용자의 심전도 신호를 측정하고, 측정된 신호를 프로세서(120)에 전달한다.
다음으로, 프로세서(120)는 심전도 측정 장치(100)의 각 유닛들을 제어하며, 디바이스 내부의 데이터를 처리한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 데이터 수집부(122), 밴드패스 필터부(124), 압축센싱 인코더(126)를 포함할 수 있다.
먼저, 데이터 수집부(122)는 ECG 센싱부(110)를 통해 측정된 심전도 신호 데이터를 실시간으로 수집한다. 다음으로, 밴드패스 필터부(124)는 수집된 심전도 신호의 잡음을 제거한다. 압축센싱 인코더(126)는 압축센싱 방법을 이용하여 심전도 신호 데이터를 압축한다. 압축센싱 인코더(126)는 Ｍ개의 스파스(sparse)한 정보를 갖는 길이 Ｎ의 원 신호에 대해 Ｋ개의 선형측정 샘플링을 수행함으로, 데이터를 압축할 수 있다 (이때, Ｍ<Ｋ<Ｎ). 즉, 본 발명에 따르면 심전도 신호의 압축센싱에 이용되는 샘플링 레이트는 나이퀴스트 주파수 이하인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예에 따르면 상기 압축센싱 인코더는 심전도 신호가 ADC(Analog-Digital Converter)를 거치기 전에 아날로그 도메인에서 인코딩을 수행할 수도 있으며, ADC를 거친 이후의 디지털 도메인에서 인코딩을 수행할 수도 있다. 상기 압축센싱 방법의 구체적인 실시예는 후술하도록 한다.
한편, 도 1의 데이터 수집부(122), 밴드패스 필터부(124), 압축센싱 인코더(126)는 분리된 블록으로 도시되었으나, 실시예에 따라 각각 별도의 칩에 구비될 수도 있으며 하나의 칩으로 통합되어 구비될 수도 있다.
다음으로, 데이터 통신부(130)는 외부 장치 또는 서버와 다양한 프로토콜을 사용하여 통신을 수행하여 데이터를 송/수신 한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 데이터 통신부(130)는 블루투스, Zigbee, 적외선 통신, WBAN(Wireless Body Area Network), NFC(Near Field Communication), UWB(Ultra Wide Band) 등의 근거리 통신 수단을 포함할 수 있다. 이때, 심전도 측정 장치(100)는 근거리에 있는 심전도 모니터링 장치로 심전도 측정 데이터를 전송할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 데이터 통신부(130)는 다양한 이동통신 수단(이를테면, LTE, 5G 등) 또는 무선랜 통신 수단을 포함할 수 있다. 이때, 심전도 측정 장치(100)는 원거리에 있는 심전도 모니터링 장치 또는 서버로 직접 심전도 측정 데이터를 전송할 수 있다.
다음으로, 데이터 저장부(140)는 다양한 디지털 데이터를 저장할 수 있다. 실시예에 따라 데이터 저장부(140)는 플래시 메모리, RAM(Random Access Memory), SSD(Solid State Drive) 등의 다양한 디지털 데이터 저장 매체를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 압축센싱된 심전도 측정 데이터를 데이터 저장부(140)에 저장할 수 있다. 프로세서(120)는 데이터 저장부(140)에 저장된 심전도 측정 데이터를 간헐적으로 또는 주기적으로 데이터 통신부(130)를 통해 서버 또는 외부 장치에 전송할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 심전도 모니터링 장치(200)를 나타낸 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 심전도 모니터링 장치(200)는 제 1 통신부(210), 프로세서(220), 제 2 통신부(230) 및 디스플레이 유닛(240)를 포함한다.
먼저, 제 1 통신부(210)는 본 발명의 심전도 측정 장치(100)가 전송한 심전도 측정 데이터를 수신한다. 일 실시예에 따르면, 제 1 통신부(210)는 블루투스, Zigbee, 적외선 통신, WBAN(Wireless Body Area Network), NFC(Near Field Communication), UWB(Ultra Wide Band) 등의 근거리 통신 수단을 포함할 수 있다. 이에 따라, 심전도 측정 장치(100)와 심전도 모니터링 장치(200)는 동일한 근거리 통신 프로토콜을 사용하여 심전도 측정 데이터를 공유할 수 있다.
다음으로, 프로세서(220)는 심전도 모니터링 장치(200)의 각 유닛들을 제어하며, 디바이스 내부의 데이터를 처리한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 프로세서(220)는 압축센싱 디코더(222), ECG 신호 처리부(224), ECG 데이터 분석부(226)를 포함할 수 있다.
압축센싱 디코더(222)는 압축센싱된 심전도 신호를 복원한다. ECG 신호 처리부(224)는 압축센싱 디코더(222)가 복원한 심전도 신호에 대해 추가적인 복원을 수행하거나 잡음을 제거할 수 있다. ECG 데이터 분석부(226)는 복원된 심전도 신호를 분석하고 이에 대한 분석 데이터를 생성한다. 상기 생성된 분석 데이터에는 심전도 신호의 파형 및 심박동수 등을 포함할 수 있다. 프로세서(210)는 ECG 데이터 분석부(226)에 의해 생성된 분석 데이터를 디스플레이 유닛(240)으로 출력한다.
다음으로, 제 2 통신부(230)는 다양한 이동통신 수단(이를테면, LTE, 5G 등) 또는 무선랜 통신 수단을 포함하는 광역 통신 모듈로서, 심전도 분석 데이터를 서버로 전송할 수 있다. 상기 서버는 보호자, 의료기관, 구조대 등의 헬스케어 관리 장치로 상기 심전도 분석 데이터를 전달한다.
한편, 본 발명의 실시예에서 상기 제 2 통신부(220)는 심전도 모니터링 장치(200)에 선택적으로 구비될 수 있으며, 상기 제 1 통신부(210)와 제 2 통신부(220)가 통합된 통신 모듈로 구비될 수도 있다.
다음으로, 디스플레이 유닛(240)은 디스플레이 화면에 이미지를 출력한다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 디스플레이 유닛(240)은 프로세서(220)의 제어 명령에 기초하여 심전도 분석 결과 데이터를 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 심전도 측정 장치의 심전도 신호 방법을 나타낸 순서도이다. 도 3의 각 단계는 도 1에 도시된 심전도 측정 장치(100)의 프로세서(120)에 의해 제어될 수 있다.
먼저, 심전도 측정 장치는 사용자의 심전도 신호를 측정한다(S110). 심전도 측정 장치는 ECG 센싱부를 이용하여 사용자의 심전도 신호를 측정하고, 측정된 신호를 프로세서에 전달한다.
다음으로, 심전도 측정 장치는 측정된 심전도 신호를 밴드패스 필터를 이용하여 필터링한다(S120). 측정된 심전도 신호 중 특정 주파수 대역을 제외한 나머지 주파수 대역의 신호는 상기 밴드패스 필터에 의해 제거될 수 있다.
다음으로, 심전도 측정 장치는 필터링 된 심전도 신호를 압축센싱한다(S130). 상기 압축센싱 과정은 구체적으로 언더 샘플링, 스파스 표현(Sparse Representation), 선형 인코딩, 측정 데이터 수집 단계 등을 포함할 수 있다. 먼저, 심전도 측정 장치는 잡음이 제거된 대역통과 심전도 신호를 나이키스트 주파수보다 낮은 주파수로 언더 샘플링한다. 언더 샘플링한 심전도 신호들을 웨이브렛(Wavelet) 변환 등의 특정 도메인으로 변환하면 대부분의 값이 0을 갖게 되는데, 변환된 신호들 중 0이 아닌 값을 갖는 아주 적은 수의 신호를 본 발명에서는 스파스(Sparse) 신호라고 한다. 심전도 측정 장치는 언더 샘플링한 심전도 신호들을 스파스 표현 과정을 통해 스파스 신호들로 변환하고, 선형 인코딩 과정과 측정 데이터 수집 과정을 통해 스파스 신호들을 수집한다.
다음으로, 심전도 측정 장치는 압축센싱된 심전도 신호를 전송한다(S140). 심전도 측정 장치는 구비된 데이터 통신부의 통신 프로토콜에 따라 심전도 모니터링 장치로 상기 데이터를 전송하거나, 서버로 직접 상기 데이터를 전송할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 심전도 측정 장치는 압축센싱된 심전도 신호를 블루투스 통신을 이용하여 심전도 모니터링 장치로 전송할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정하지 않으며, Zigbee, 적외선 통신, WBAN(Wireless Body Area Network), NFC(Near Field Communication), UWB(Ultra Wide Band) 등의 다양한 통신 수단이 상기 압축센싱된 심전도 신호의 전송에 사용될 수 있음은 전술한 바와 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 심전도 모니터링 장치의 심전도 신호 처리 방법을 나타낸 순서도이다. 도 4의 각 단계는 도 2에 도시된 심전도 모니터링 장치(200)의 프로세서(220)에 의해 제어될 수 있다.
먼저, 심전도 모니터링 장치는 압축센싱된 심전도 신호를 수신한다(S210). 심전도 모니터링 장치는 구비된 제 1 통신부의 통신 프로토콜에 따라 심전도 측정 장치로부터 상기 데이터를 수신할 수 있다. 심전도 모니터링 장치가 심전도 데이터를 수신하는데 사용하는 통신 수단은 전술한 바와 같이 블루투스, Zigbee, 적외선 통신, WBAN(Wireless Body Area Network), NFC(Near Field Communication), UWB(Ultra Wide Band) 등을 포함할 수 있으며, 본 발명은 이에 한정하지 않는다.
다음으로, 심전도 모니터링 장치는 압축센싱된 심전도 신호를 복원한다(S220). 본 발명의 실시예에 따르면, 심전도 모니터링 장치의 압축센싱 디코더는 고속 복원 알고리즘을 사용하여 심전도 신호를 복원할 수 있는데, 고속 복원 알고리즘에는 Basis Pursuit, Orthogonal Matching Pursuit(OMP), Homotopy, Least Angle Regression(LARS), Block Sparse Bayesian Learning(BSBL) 등이 있다. 특히, 압축센싱된 심전도 신호를 복원할 때에는 BSBL 알고리즘이 우수한 성능을 나타낸다.
다음으로, 심전도 모니터링 장치는 상기 복원된 심전도 신호를 분석한다(S230). 심전도 모니터링 장치의 ECG 데이터 분석부는 복원된 심전도 신호의 파형 및 심박동수 등을 포함하는 분석 데이터를 생성한다. 본 발명의 일 실예에 따르면, 심전도 모니터링 장치는 심전도 신호를 분석하기 위한 전처리 과정으로써, 복원된 심전도의 잡음 제거를 추가적으로 수행할 수 있다. 한편, 심전도 모니터링 장치는 모니터링된 심전도 결과 데이터를 기초로 사용자의 건강 상태를 판단할 수 있다. 즉, ECG 데이터 분석부는 심전도 신호의 파형 및 심박동수에 기초하여 정상 상태, 부정맥(arrhythmia), 서맥(bradycardia), 빈맥(tachycardia), 조동(flutter) 및 세동(fibrillation) 등의 상태에 있는지를 판단할 수 있다.
다음으로, 심전도 모니터링 장치는 상기 심전도 분석 데이터를 디스플레이 유닛으로 출력한다(S240). 심전도 모니터링 장치는 복원된 심전도 신호 및 S230 단계에서 생성된 분석 데이터를 디스플레이 유닛으로 출력한다. 만약 S230 단계에서 사용자의 건강 상태에 대한 결과가 도출 되었다면, 심전도 모니터링 장치는 해당 상태 정보를 디스플레이 유닛으로 함께 출력할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 심전도 모니터링 장치는 심전도 분석 데이터를 제 2 통신부를 통해 서버로 전송할 수 있다. 상기 제 2 통신부는 다양한 이동통신 수단 또는 무선랜 통신 수단을 포함하는 광역 통신 모듈로써, 심전도 모니터링 장치는 제 2 통신부를 통해 심전도 분석 데이터를 보호자, 의료기관, 구조대 등의 헬스케어 관리 장치로 전달할 수 있다.
이하, 도 5를 참조로 본 발명의 실시예에 따른 심전도 신호의 압축센싱 방법 및 압축센싱된 심전도 신호의 복원 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
유헬스 서비스는 다양한 무선통신 네트워크, 이를테면 블루투스, Wireless Body Area Network(WBAN) 등을 이용하여 구현될 수 있으며, 에너지 소비량을 줄이는 것이 중요한 이슈이다. 에너지 소비량은 전송하는 데이터의 양에 비례하기 때문에 센서에서 측정된 생체신호를 디지털 변환하기 전이나 모니터링 장치에 전송하기 전에 압축하는 것이 필요하다.
도 5는 측정된 원본 ECG 신호를 압축센싱하고 이를 복원하는 일련의 단계를 나타내고 있다. 도 5에서 압축센싱 인코더(CS Encoder)는 본 발명의 심전도 측정 장치에 구비되며, 압축센싱 디코더(CS Decoder)는 본 발명의 심전도 모니터링 장치에 구비된다.
압축센싱 인코더에서 심전도 신호를 압축센싱하는 방법은 다음 수식을 통해 표현할 수 있다.
Figure 112013120869824-pat00001
여기서 Ｘ는 길이가 Ｎ인 심전도 측정 신호이며, Φ는 심전도 측정 신호에서 스파스 신호를 측정하기 위한 Ｋ×Ｎ 크기의 측정행렬이다. Ｙ는 측정행렬 Φ와 심전도 측정 신호 Ｘ를 곱하여 나온 압축센싱된 심전도 신호로써, Ｋ의 길이를 갖는다. 여기서 Ｋ는 Ｎ보다 작은 값을 가지며, 신호 압축률은 Ｋ/Ｎ이 된다. 본 발명에 따르면 심전도 신호의 압축센싱에 이용되는 샘플링 레이트는 나이퀴스트 주파수 이하인 것을 특징으로 한다.
압축센싱에서 선형측정이란 원 신호 Ｘ에 선형측정 행렬 Φ를 곱하여 측정벡터 Ｙ를 얻는 것을 의미한다. 심전도 측정 신호는 어떤 특정한 신호 공간으로 변형시키면 대부분의 값이 0을 갖고, Ｍ개의 0이 아닌 값을 갖는 스파스 신호가 될 수 있다. 이때, 상기 수학식 1은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013120869824-pat00002
즉, 신호 Ｘ가 직접적으로 스파스 데이터를 갖는 신호가 아닐 때에는 선형 변형 과정을 거쳐 스파스 신호로 바꾸어줄 수 있다. 상기 수학식 2에서 Ｔ는 역이 존재하는 Ｎ×Ｎ 선형 변형 행렬이고, 이것은 측정 신호와 스파스 신호 s와의 관계를 나타낸다.
한편, 압축센싱 디코더에서는 압축센싱 된 심전도 데이터 Ｙ를 이용하여 원 신호 Ｘ를 복원할 수 있다. 그러나 주어진 신호 Ｙ에 대해 하나 이상의 솔루션 Ｘ가 존재하기 때문에 일반적인 방법으로 신호 Ｘ는 신호 Ｙ로부터 완벽히 복원될 수 없다. 따라서 신호 Ｙ는 다음 수식과 같이 감지행렬 F의 일부열로 선형 결합된 형태로 표현될 수 있다. 이 경우 미지수의 개수는 수학식의 개수보다 작거나 같게 된다.
Figure 112013120869824-pat00003
수학식 3에서 Ｔ는 s의 지원 영역으로 [1, Ｎ]⊃Ｔ이며,
Figure 112015000919605-pat00004
를 만족한다. Ｆi는 감지행렬 Ｆ의 i번째 열을 표현하며, ＦT는 감지행렬 Ｆ의 Ｋ×Ｍ 크기의 부분 행렬로 Ｔ의 색인에 해당하는 열로 구성된다. ＳT는 Ｍ×1 크기의 벡터로 s의 0이 아닌 원소로만 구성된다. 수학식 3은 M-sparse 벡터를 완벽하게 복원하기 위하여
Figure 112015000919605-pat00005
를 만족하는 Ｔ에 대해 유일한 해를 가지고 있어야 한다. RIP(Restricted Isometry Property)는 임의의 Ｔ에 대해 수학식 3이 유일한 해를 가지기 위한 감지행렬 Ｆ의 충분조건이고 다음의 식으로 표현될 수 있다.
Figure 112013120869824-pat00006
만약 감지행렬 Ｆ가 수학식 4를 만족하면, 감지행렬 Ｆ는 RIP를 가진다고 말할 수 있다. 이때 압축센싱 기술을 이용하면, RIP를 가진 감지행렬 Ｆ를 이용하여 신호 Ｙ로부터 M-spase 신호 Ｘ를 완벽히 복원할 수 있다.
도 6은 심전도 신호의 파형을 개략적으로 나타내고 있다. P파는 심방 탈분극을 나타내며, 이때 심방근은 수축하여 혈액을 심방에서 심실로 밀어낸다. QRS극파군은 탈분극이 방실결절, 방실줄기, 방실가지 및 푸르킨예 섬유를 따라 심실근에 차례로 전달되는 과정이 기록된 것이다. QRS극파의 발생 직후에는 심실이 수축하여 심실에 있던 혈액이 대동맥 또는 폐동맥으로 분출된다. T파는 심실근의 재분극에 의하여 기록된 것이다.
일반적으로 심전도는 R-R간격을 측정하여 심장박동수와 심박동의 규칙성을 알아보고, QRS극파군과 T파의 기간, 진폭을 측정하며, P-R 간격(PR Interval), Q-T 간격(QT Interval), PR 분절(PR Segement) 및 ST 분절(ST Segment) 등을 측정한다. 따라서, 본 발명의 심전도 모니터링 장치는 이와 같은 정보에 기초하여 심전도 분석 데이터를 생성한다.
도 7은 압축센싱의 압축비(Compression Factor, CF)에 따른 심전도 특징점 추출 결과를 나타내고 있다. 도 7(a)는 원신호를, 도 7(b) 내지 도 7(d)는 각각 압축비(CF)가 2, 4, 8인 신호를 나타내고 있다.
도시된 바와 같이, 압축비가 높을수록 심전도 신호의 왜곡이 심해지는 것을 관찰할 수 있다. 그러나 압축비가 2일 때, 데이터량은 원 신호의 50%로 줄었지만 신호의 왜곡은 거의 없는 것을 시각적으로 확인할 수 있다. 그리고, 압축비가 2일 때, 원신호와 복원된 신호의 차이를 비교해볼 수 있는 PRD(Percent root mean spared difference) 값도 1.42%로 수치적으로 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있다. 참고로 PRD값은 다음과 같은 수식을 통해 구할 수 있다.
Figure 112013120869824-pat00007
여기서, x는 원래의 심전도 신호, x'는 복원된 심전도 신호.
한편, 생체신호를 무선으로 전송하고 복원할 때에는 다양한 아티팩트(artifacts)와 노이즈에 대한 영향을 최소화해야 정확한 해석을 할 수 있다. 화이트 노이즈는 보통 샘플링 도메인에서 스파스하지 않은 특성을 갖는다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라 압축센싱을 이용하여 심전도 신호를 전송 및 복원하게 되면, 스파스한 신호를 복원하는 압축센싱의 특성상 복원된 심전도 신호의 노이즈가 감소할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 심전도 측정 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 심전도 측정 장치(100)는 전술한 바와 같이 사용자의 심전도를 측정하고, 측정된 심전도 신호를 압축센싱하여 심전도 모니터링 장치(200)로 전송한다. 심전도 모니터링 장치(200)는 전송된 신호를 복원하고, 분석한 분석 데이터를 디스플레이 유닛(240)으로 출력한다. 실시예에 따라, 심전도 모니터링 장치(200)는 심전도 분석 데이터를 서버(300)로 전송할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 심전도 측정 장치(100)는 스마트워치, HMD(Head Mounted Display), 스마트폰 등의 다양한 웨어러블 디바이스 및 휴대용 장치에 포함될 수 있다. 이에 따라 사용자는 저전력의 휴대용 장치를 통해 심전도를 측정할 수 있으며, 심전도 측정 결과를 실시간으로 심전도 모니터링 장치(200) 또는 서버(300)로 전송할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 심전도 측정 장치(100)는 압축센싱을 이용하여 심전도 신호의 데이터를 압축함으로 전송할 데이터의 양을 획기적으로 줄일 수 있고, 이에 따라 휴대용 장치의 전력 소모를 줄이고 열악한 데이터 통신 환경에서도 효율적으로 유헬스 서비스를 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있다. 따라서 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에 속한 사람이 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
100 : 심전도 측정 장치 200 : 심전도 모니터링 장치
300 : 서버

Claims (9)

  1. 압축센싱을 이용한 심전도 모니터링 시스템으로써,
    사용자의 심전도 신호를 측정하는 심전도 센싱부;
    상기 측정된 심전도 신호를 밴드패스 필터를 이용하여 필터링하고, 필터링 된 심전도 신호를 압축센싱하는 프로세서; 및
    상기 압축센싱 된 심전도 신호를 심전도 모니터링 장치로 전송하는 데이터 통신부; 를 포함하는 심전도 측정 장치와,
    상기 압축센싱된 심전도 신호를 수신하는 제 1 통신부;
    상기 압축센싱된 심전도 신호를 복원하고, 복원된 심전도 신호를 분석하는 프로세서; 및
    상기 심전도 분석 데이터를 출력하는 디스플레이 유닛; 을 포함하는 심전도 모니터링 장치,
    를 포함하고,
    상기 심전도 측정 장치의 프로세서는, 길이가 Ｎ인 심전도 측정 신호 Ｘ를 다음 수학식 1에 따라 길이가 Ｋ(Ｋ<Ｎ)인 신호 Ｙ로 압축센싱 하되,
    [수학식 1]
    Figure 112015000919605-pat00016

    여기서, Φ는 Ｋ×Ｎ의 측정행렬이며, Ｔ는 측정 신호 Ｘ와 스파스 신호 s와의 관계를 나타내는 Ｎ×Ｎ 선형 변형 행렬이고,
    상기 심전도 모니터링 장치의 프로세서는, 압축센싱된 심전도 신호 y를 다음 수학식 2를 이용하여 심전도 신호를 복원하되,
    [수학식 2]
    Figure 112015000919605-pat00017

    여기서, Ｆi는 감지행렬 Ｆ의 i번째 열이며, ＦT는
    Figure 112015000919605-pat00018
    를 만족하는 임의의 Ｔ에 대해 상기 수학식 2가 유일한 해를 갖도록 하기 위한 감지행렬 Ｆ의 Ｋ×Ｍ 크기의 부분 행렬이고, ＳT는 Ｍ×1 크기의 벡터로 상기 스파스 신호 s의 0이 아닌 원소로 구성되는 것을 특징으로 하는 압축센싱을 이용한 심전도 모니터링 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압축센싱에 사용되는 샘플링 레이트는 나이퀴스트 주파수 이하인 것을 특징으로 하는 압축센싱을 이용한 심전도 모니터링 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 통신부 및 제 1 통신부는 블루투스 통신 모듈인 것을 특징으로 하는 압축센싱을 이용한 심전도 모니터링 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 통신부 및 제 1 통신부는 Zigbee, 적외선 통신, WBAN(Wireless Body Area Network), NFC(Near Field Communication), UWB(Ultra Wide Band) 모듈 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 압축센싱을 이용한 심전도 모니터링 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 심전도 모니터링 장치는,
    상기 심전도 분석 데이터를 서버로 전송하는 제 2 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축센싱을 이용한 심전도 모니터링 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 2 통신부는 이동 통신 모듈 및 무선랜 모듈 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 압축센싱을 이용한 심전도 모니터링 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 심전도 분석 데이터는 상기 복원된 심전도 신호의 파형 및 심박동수를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축센싱을 이용한 심전도 모니터링 시스템.
  8. 사용자의 심전도 신호를 측정하는 심전도 센싱부;
    상기 측정된 심전도 신호를 필터링하는 밴드패스 필터;
    상기 필터링 된 심전도 신호를 나이퀴스트 주파수 이하의 샘플링 레이트로 압축센싱 하는 압축센싱 인코더; 및
    상기 압축센싱 된 심전도 신호를 심전도 모니터링 장치로 전송하는 데이터 통신부;
    를 포함하고,
    상기 압축센싱 인코더는, 길이가 Ｎ인 심전도 측정 신호 Ｘ를 다음 수학식 3에 따라 길이가 Ｋ(Ｋ<Ｎ)인 신호 Ｙ로 압축센싱 하되,
    [수학식 3]
    Figure 112015000919605-pat00019

    여기서, Φ는 Ｋ×Ｎ의 측정행렬이며, Ｔ는 측정 신호 Ｘ와 스파스 신호 s와의 관계를 나타내는 Ｎ×Ｎ 선형 변형 행렬인 것을 특징으로 하는 압축센싱을 이용한 심전도 측정 장치.
  9. 심전도 측정 장치로부터 압축센싱된 심전도 신호를 수신하는 제 1 통신부;
    상기 압축센싱된 심전도 신호를 복원하는 압축센싱 디코더;
    상기 복원된 심전도 신호를 분석하는 심전도 데이터 분석부; 및
    심전도 분석 데이터를 출력하는 디스플레이 유닛; 을 포함하되
    상기 심전도 분석 데이터는 상기 복원된 심전도 신호의 파형 및 심박동수를 포함하며,
    상기 압축센싱 디코더는, 압축센싱된 심전도 신호 y를 다음 수학식 4를 이용하여 심전도 신호를 복원하되,
    [수학식 4]
    Figure 112015000919605-pat00020

    여기서, Ｆi는 감지행렬 Ｆ의 i번째 열이며, ＦT는
    Figure 112015000919605-pat00021
    를 만족하는 임의의 Ｔ에 대해 상기 수학식 4가 유일한 해를 갖도록 하기 위한 감지행렬 Ｆ의 Ｋ×Ｍ 크기의 부분 행렬이고, ＳT는 Ｍ×1 크기의 벡터로 스파스 신호 s의 0이 아닌 원소로 구성되며,
    상기 압축센싱된 심전도 신호는 나이퀴스트 주파수 이하로 샘플링 된 것을 특징으로 하는 압축센싱을 이용한 심전도 모니터링 장치.
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EP3731417A1 (en) 2019-04-25 2020-10-28 Biosense Webster (Israel) Ltd. Compressed-sensing of spatiotemporally-correlated and/or rakeness-processed electrograms
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