KR101910982B1

KR101910982B1 - 개인화된 생체 신호 패턴을 이용한 생체 신호의 동잡음 제거 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101910982B1
Application number: KR1020120014405A
Authority: KR
Inventors: 강재민; 박건국; 신건수
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2019-01-04
Also published as: KR20130092849A; US8798726B2; US20130211271A1

Abstract

동잡음 제거 장치는 피검자로부터 생체 신호를 획득하는 생체 신호 획득부, 상기 피검자로부터 기 측정된 생체 신호를 이용하여 생성된 상기 피검자에 대한 생체 신호 패턴과 상기 획득된 생체 신호의 비교결과에 따라, 상기 획득된 생체 신호에 대한 재구성 신호를 생성하는 재구성 신호 생성부 및 상기 재구성된 신호 및 상기 획득한 생체 신호의 차이에 기초하여 상기 획득한 생체 신호의 동잡음을 제거하는 동잡음 제거부를 포함한다.

Description

개인화된 생체 신호 패턴을 이용한 생체 신호의 동잡음 제거 방법 및 장치{Method and apparatus for eliminating motion artifact of biosignal using personalized biosignal pattern}

개인화된 생체 신호 패턴을 이용하여 심장의 기능을 나타내는 생체 신호에 유입된 동잡음을 제거 방법 및 장치에 관한 것이다.

통상 심장 박동수(Heart rate)의 측정은 피검사자로부터 측정된 생체 신호(Bio signal)의 분석에 기반한다. 심장의 생체 신호는 신경세포나 근세포에 의해 발생되는 전류 또는 전압 형태의 전기적인 신호로서, 심장 박동수는 일반적으로 심전도 신호에 의해 측정된다. 심전도(Electrocardiogram, ECG) 신호는 심근이 활동할 때 발생하는 활동전위를 파형으로 기록한 것이다. 생체에서의 전기전도는 이온에 의해 이루어지나, 측정 시스템에서는 전자에 의해 이루어지기 때문에 피검사자의 신체에 부착되는 표면전극이 필요하며, 상기 표면전극은 전극주변에 분포되어 있는 많은 세포들의 활동으로 유기되는 전위를 측정하게 된다.

심장 박동수는 심전도 파형의 정점을 이루는 R파의 피크를 추출하여, 피크-피크 간의 주기를 측정하고, 이로부터 일정 시간간격 동안의 심장 박동수를 환산하여 얻어질 수 있다. 예를 들어, 심장 박동수는 1분간의 박동수 beats/min(BPM)으로 측정될 수 있으며, 대략 정상적인 심전도에서는 60~100 beats/min의 심장 박동수를 얻을 수 있다.

미국 공개 특허 2006-0136744 (2006.006.22 공개)
한국 공개 특허 10-2009-0040721 (2009.04.27 공개)

심장의 생체 신호의 일상 생활 중 동잡음을 효과적으로 제거하여, 신뢰도 높은 심장의 생체 신호를 측정하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다. 또한, 상기 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 동잡음을 제거하는 장치는

피검자로부터 생체 신호를 획득하는 생체 신호 획득부; 상기 피검자로부터 기 측정된 생체 신호를 이용하여 생성된 상기 피검자에 대한 생체 신호 패턴과 상기 획득된 생체 신호의 비교결과에 따라, 상기 획득된 생체 신호에 대한 재구성 신호를 생성하는 재구성 신호 생성부; 및 상기 재구성된 신호 및 상기 획득한 생체 신호의 차이에 기초하여 상기 획득한 생체 신호의 동잡음을 제거하는 동잡음 제거부를 포함한다.

상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 동잡음을 제거하는 방법은 피검자로부터 생체 신호를 획득하는 단계; 상기 피검자로부터 기 측정된 생체 신호를 이용하여 생성된 상기 피검자에 대한 생체 신호 패턴과 상기 획득된 생체 신호의 비교결과에 따라, 상기 획득된 생체 신호에 대한 재구성 신호를 생성하는 단계; 및 상기 재구성된 신호 및 상기 획득한 생체 신호의 차이에 기초하여 상기 획득한 생체 신호의 동잡음을 제거하는 단계를 포함한다.

상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 상기된 동잡음을 제거하는 방법들을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

심장의 생체 신호의 일상 생활 중 동잡음을 효과적으로 제거하여 신뢰성 있고 지속적인 심장의 생체 신호 측정이 가능한 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동잡음 제거 시스템에 대한 구성도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 동잡음 제거 장치(200)의 구성도이다.
도 3은 생체 신호 검출 시스템(3000)의 상세한 구성도이다.
도 4은 생체 신호 패턴 생성부(11)가 환자의 심전도 및 생체 신호 패턴을 생성하는 방법을 도시한 도면이다.
도 5은 패턴 정합부(14)가 패턴을 정합하는 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LMS 필터를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 동잡음 제거 방법의 흐름도를 도식한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 동잡음 제거 방법의 흐름도를 도식한 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동잡음 제거 시스템에 대한 구성도이다. 도 1에 도시된 실시예에 따른 동잡음 제거 시스템은 검출 프로브(100), 동잡음 제거 장치(200) 및 표시 장치(300)으로 구성되어 있다.

검출 프로브(100)은 환자 신체의 상태를 판단하기 위하여 환자 신체의 변화를 검출하는 장치를 의미한다. 예를 들면 검출 프로브(100)은 본 발명의 일 실시예에 따르면 심전도 검출을 위해 환자의 신체에 배치하는 전극이다. 검출 프로브(100)은 검출한 신호를 동잡음 제거 장치(200)로 출력한다.

동잡음 제거 장치(200)는 검출 프로브(100)가 검출한 생체 신호에 존재하는 동잡음을 제거하는 장치이다. 여기서 생체 신호란, 신체의 변화를 검출한 신호를 말하며, 예를 들면 심전도(Electrocardiogram, ECG), 발리스토카르디오그램(ballistocardiogram, BCG), 광혈류 측정 신호(Photoplethysmograph, PPG) 등이 이에 속할 수 있다. 이러한 생체 신호를 환자의 일상 생활에서 측정의 필요가 있는데, 일상 생활에서의 심장의 생체 신호를 측정 하다 보면 환자의 움직임에 의해 생기는 잡음을 제거할 필요성이 요청된다. 이와 같이 일상 생활을 할 때 환자의 움직임에 의해서 생체 신호에 생기는 잡음을 동잡음이라 한다. 동잡음 제거 장치(200)는 이 동잡음을 제거하여 표시 장치(300)로 출력한다.

표시 장치(300)는 동잡음 제거 장치(200)가 동잡음을 제거한 신호를 디스플레이 할 수 있다. 표시 장치(300)가 디스플레이 한 신호는 의료 전문가나 환자에 의해 분석될 수 있다.

도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 동잡음 제거 장치(200)의 구성도이다. 도 2을 참고하면, 도 2에 도시된 실시예에 따른 동잡음 제거 장치(200)는 생체 신호 획득부(201), 재구성 신호 생성부(202) 및 동잡음 제거부(203)로 구성된다.

생체 신호 획득부(201)는 피검자로부터 생체 신호를 획득한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 생체 신호 획득부(201)가 획득하는 생체 신호는 심장의 심전도 신호이며, 생체 신호 획득부(201)는 심장의 심전도 신호를 획득하여 재구성 신호 생성부(202)로 출력한다.

재구성 신호 생성부(202)는 피검자로부터 기 측정된 생체 신호를 이용하여 생성된 그 피검자에 대한 생체 신호 패턴과 획득된 생체 신호를 비교하고, 그 비교결과에 따라, 획득된 생체 신호에 대한 재구성 신호를 생성한다. 이 생체 신호 패턴은 피검자로부터 미리 측정된 생체 신호로부터 추출한 패턴으로써, 생체 신호의 주기적인 패턴을 나타낸다.

심장에 의한 생체 신호는 일반적으로 주기적인 파형을 가질 수 있으므로 주기 신호가 반복되는 패턴이 있을 수 있다. 생체 신호 패턴은 이 주기 신호가 반복되는 패턴을 의미하는 것인데, 이 패턴은 지문이 사람마다 특징이 있듯이, 피검자에 따라서 특징이 있을 수 있다. 따라서 재구성 신호 생성부(202)가 생체 신호 패턴을 이용할 때, 다른 사람의 생체 신호 패턴이 아니라, 측정하고자 하는 피검자의 생체 신호 패턴을 이용한다면 좀 더 정확한 동잡음 제거를 실시할 수 있다.

재구성 신호 생성부(202)는 동잡음이 없을 경우를 가상하여 생성한 신호인 재구성 신호를 생성한다. 재구성 신호 생성부(202)는 피검자에 대한 생체 신호 패턴을 연속적으로 연결하여 재구성 신호를 생성한다. 이 경우 생체 신호 패턴은 피검자 개인의 생체 신호 패턴일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 재구성 신호 생성부(202)가 재구성 신호를 생성할 때 생체 신호 패턴을 연속적으로 연결하는데, 측정된 생체 신호의 피크 위치와 생체 신호 패턴의 피크 위치를 일치시킬 수 있다. 측정되는 생체 신호는 주기적인 성질이 있기는 하지만, 피검자의 환경 또는 건강 상태에 따라서 심박수가 달라질 수 있기 때문에 주기 또한 변할 수 있기 때문에 피크의 위치를 일치시킨다. 따라서 재구성 신호 생성부(202)는 재구성 신호를 생성할 때 동잡음 제거부(203)가 동잡음을 제거한 신호에서 피크의 위치를 추출하고 이를 이용하여 다시 재구성 신호를 생성하는 것을 반복한다. 재구성 신호 생성부(202)가 이렇게 피크의 위치를 추출하고 이를 이용하여 재구성 신호를 생성하는 과정은 도 3에 도시된 재구성 신호 생성부(202)의 상세한 구성도를 이용하여 자세히 설명하기로 한다.

동잡음 제거부(203)는 재구성 신호 생성부(202)가 생성한 재구성된 신호 및 획득한 생체 신호의 차이에 기초하여 획득한 생체 신호의 동잡음을 제거한다. 재구성 신호 생성부(202)가 생성한 재구성된 신호는 동잡음이 없을 경우를 가상하여 생성한 신호이며, 피크의 위치는 획득한 생체 신호와 일치되어 있다. 따라서 획득한 생체 신호와 재구성된 신호의 차이를 계산하고 그 차이의 값이 최소가 되도록 획득한 생체 신호를 변화시켜서 동잡음을 제거한다.

도 3은 생체 신호 검출 시스템(3000)의 상세한 구성도이다. 도 3에 따르면 생체 신호 검출 시스템은 검출 프로브(100), 패턴 생성 판단부(10), 동잡음 제거 장치(200), 재구성 신호 생성부(202), 동잡음 제거부(203), 표시장치(300), 저장부(301) 및 통신부(302)로 구성된다. 검출 프로브(100), 동잡음 제거장치(200), 표시장치(300)는 도 1 및 도 2에서 설명된 내용과 동일하기 때문에 생략한다.

패턴 생성 판단부(10)는 환자의 생체 신호가 입력되면 이 환자의 생체 신호 패턴이 저장부(301)에 저장되어 있는지 판단한다. 예를 들면, 패턴 생성 판단부(10)가 환자의 생체 신호 패턴이 저장부(301)에 저장되어 있는지 판단하는 경우는 생체 신호 획득부(201)가 최초로 생체 신호의 획득을 시작할 때, 생체 신호 획득부(201)가 측정하는 환자를 바꿀 때 등이 있을 수 있다.

패턴 생성 판단부(10)가 환자의 생체 신호 패턴이 저장부(301)에 저장되어 있는지를 판단하는 일 실시예는 다음과 같다. 생체 신호 패턴 생성부(11)는 생체 신호 패턴을 생성하면, 그 생체 신호 패턴의 환자마다 고유의 식별부호를 부여하고 저장부(301)에 환자의 생체 신호 패턴과 함께 환자의 고유의 식별부호를 함께 저장할 수 있다. 패턴 생성 판단부(10)는 환자의 심장의 생체 신호와 함께 환자 고유의 식별 부호를 입력 받고, 저장부(301)에 그 식별부호에 대응되는 생체 신호 패턴이 있는지 판단하여, 환자의 생체 신호 패턴이 저장부(301)에 저장되어 있는지 판단할 수 있다. 이 경우 생체 신호 패턴 생성부(11)는 고유의 식별부호를 생성할 때 사람의 이름, 나이, 병명 등을 토대할 수 있다.

패턴 생성 판단부(10)가 환자의 생체 신호 패턴이 저장부(301)에 저장되어 있는지를 판단하는 다른 실시예는 다음과 같다. 패턴 생성 판단부(10)는 입력되는 심장의 생체 신호와 생체 신호 패턴의 코릴레이션(co-relation) 값을 산출할 수 있다. 패턴 생성 판단부(10)는 산출된 코릴레이션 값이 일정 수치 이상일 때, 그 생체 신호 패턴과 심장의 생체 신호가 동일한 환자의 것임으로 판단할 수 있다. 예를 들면 패턴 생성 판단부(10)는 산출된 코릴레이션 값이 0.85이상일 때 입력되는 심장의 생체 신호와 저장되어 있는 생체 신호 패턴이 같은 환자의 것으로 판단할 수 있다.

패턴 생성 판단부(10)는 저장부(301)에 복수 개의 생체 신호 패턴들이 저장되어 있다면, 이 생체 신호 패턴들 각각을 입력되는 심장의 생체 신호와 코릴레이션 값을 산출할 수 있다. 패턴 생성 판단부(10)는 이 산출된 코릴레이션 값이 일정 수치 이상인 생체 신호 패턴을 입력되는 심장의 생체 신호와 동일한 환자의 것임을 판단할 수 있다. 패턴 생성 판단부(10)는 저장부(301)에 저장되어 있는 복수 개의 생체 신호 패턴 중에서 이 코릴레이션 값이 일정 수치 이상인 생체 신호 패턴이 복수 개가 있다면, 복수 개의 생체 신호 패턴 중에서 가장 높은 코릴레이션 값을 갖는 생체 신호 패턴을 입력되는 심장의 생체 신호와 동일한 환자의 것이라고 판단할 수 있다.

패턴 생성 판단부(10)는 저장부(301)에 환자의 생체 신호 패턴이 저장되어 있다고 판단하면, 저장되어 있는 생체 신호 패턴이 메모리 상에서 존재하는 주소를 동잡음 감지부(12) 및 패턴 정합부(14)로 전달할 수 있다.

생체 신호 패턴 생성부(11) 패턴 생성 판단부(10)로부터 생체 신호 패턴을 생성하도록 요청 받을 경우, 입력되는 환자의 생체 신호의 생체 신호 패턴을 산출한다.

도 4은 생체 신호 패턴 생성부(11)가 환자의 심전도 및 생체 신호 패턴을 생성하는 방법을 도시한 도면이다. 신호 패턴 생성부(11)는 피검자에 대한 생체 신호 패턴이 존재하지 않는 경우, 획득된 생체 신호를 주기별로 분할하고, 분할된 주기별 생체 신호들 중 유사도가 큰 소정의 개수의 주기별 생체 신호들을 평균하여 피검자에 대한 생체 신호 패턴을 생성한다. 도 4의 상단 부분에 도시된 신호는 심전도 신호의 일 예이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 심장의 생체 신호는 심전도가 될 수 있다. 하지만 본 발명의 내용이 심전도 신호에 한정되지 않다는 것은, 본 발명의 기술 분야에 속한 사람은 알 수 있다. 도 4의 심전도 신호에 따르면 유사한 시간 간격을 두고 유사한 패턴이 반복되고 있음을 확인할 수 있다. 패턴이 반복되는 간격은 도면에서 점선으로 표시되어 있으며 간격이 정확하게 일정하지는 않지만 유사한 시간 간격을 가지고 반복되고 있음을 파악할 수 있다. 생체 신호 패턴 생성부(11)는 시간 간격을 가지고 반복되는 패턴의 경계를 나누기 위해서, 입력되는 심전도의 R피크를 검출할 수 있다. R피크는 심전도 파형에서 심실이 수축 시 나타나는 신호로써, 심전도에서 최대 지점을 나타내는 신호이다. 그리고 생체 신호 패턴 생성부(11)는 입력되는 심전도의 R피크를 추출한 후 R피크를 추출된 R피크를 기준으로 유사한 패턴의 경계를 구분할 수 있다.

예를 들면, 생체 신호 패턴 생성부(11)는 R피크를 기준으로 왼쪽으로는 10번 째 피크가 생기는 지점, 오른쪽으로는 15번 째 피크가 생기는 지점을 패턴 하나의 경계로 구분할 수 있다. 생체 신호 패턴 생성부(11)는 바람직하게는 생체 신호 패턴을 생성할 때 심전도 신호에 동잡음이 존재하지 않은 안정된 상태에서의 신호를 분석한다. 즉, 저장부(301)에 생체 신호 패턴이 저장되어 있지 않는 경우, 생체 신호 패턴 생성부(11)는 사용자에게 생체 신호 패턴이 저장되어 있지 않다는 신호를 송출할 수 있다. 사용자는 생체 신호 패턴이 저장되어 있지 않다는 것을 인지하면 동잡음이 발생되지 않도록, 생체 신호 패턴이 형성되기 전 까지 움직임을 최소한으로 한 상태에서 생체 신호 패턴 생성부(11)가 생체 신호 패턴을 생성할 수 있는 환경을 만들 수 있다.

도 4에서는 반복되는 패턴의 개수는 8개 패턴까지 번호가 부여되어 있으며, 이 8개 패턴의 평균 형상을 도 4의 하단부분과 같이 산출할 수 있다. 이렇게 산출된 패턴을 생체 신호 패턴이라고 할 수 있다. 한편, 평균 형상인 생체 신호 패턴을 구하기 위해서 고려할 패턴의 개수는 8개에 한정되지 않는다. 이 개수는 발명을 실시할 때 변할 수 있다. 한편, 경계가 구분된 패턴들 중에서 평균적인 형상하고 크게 차이가 나는 패턴이 존재할 수 있다. 예를 들면, 생체 신호 패턴 생성부(11)가 생체 신호 패턴을 형성하는 동안 사용자의 움직임에 의해 잡음이 발생하여 다른 7개의 형상과 크게 차이가 나는 하나의 패턴이 존재할 수 있다. 이러한 패턴은 전체 패턴의 평균적인 형상을 나타내야 하는 생체 신호 패턴을 실제 평균적엔 형상에서 크게 벗어나게 할 수 있기 때문에, 생체 신호 패턴 생성부(11)는 이렇게 큰 오차를 갖는 패턴은 전체 패턴의 평균적인 형상을 산출할 때 제외한다.

생체 신호 패턴 생성부(11)가 생체 신호 패턴을 형성 시 다른 패턴들하고 크게 차이가 나는 패턴을 찾는 과정에 대해서 좀 더 상세하게 설명하면, 생체 신호 패턴 생성부(11)는 경계가 구분된 패턴들 간에 서로 코릴레이션 값을 산출한 후, 산출된 코릴레이션 값이 일정 수치 미만인 패턴은 평균적인 형상을 산출할 때 제외시킨다. 이 코릴레이션 값이 작다는 것은 나머지 다른 패턴들과 비교하였을 때 차이가 많이 난다는 의미이기 때문이다. 이렇게 제외된 패턴이 존재할 경우 생체 신호 패턴 생성부(11)는 제외된 패턴의 개수만큼 심전도 신호의 다른 패턴을 추출할 수 있다. 생체 신호 패턴 생성부(11)가 평균 형상을 만들기 위해 고려할 패턴의 개수를 일정하게 유지하기 위함이다.

앞선 예에서와 같이 생체 신호 패턴 생성부(11)는 8개의 패턴을 이용하여 생체 신호 패턴을 생성 한다고 가정할 수 있다. 이 경우 하나의 패턴이 나머지 7개의 패턴과 코릴레이션 값이 0.85미만이라면, 생체 신호 패턴 생성부(11)는 그 하나의 패턴은 생체 신호 패턴을 만들 때 제외시킬 수 있다. 그리고 생체 신호 패턴 생성부(11)는 제외된 하나의 패턴만큼 심전도 신호에서 다른 패턴을 추출할 수 있고, 이 다시 추출된 패턴까지 총 8 개의 패턴을 이용하여 평균적인 형상인 생체 신호 패턴을 생성한다. 생체 신호 패턴 생성부(11)는 이렇게 생성된 생체 신호 패턴을 저장부(301)에 저장하고 동잡음 감지부(12)에 출력한다.

동잡음 감지부(12)는 환자의 심전도 신호가 입력되면 이 심전도에 동잡음이 섞여 있는지 여부를 판단한다. 동잡음 감지부(12)는 입력되는 심전도에 동잡음이 섞여 있는지 여부를 판단하고, 동잡음이 섞여 있지 않다면 이 심전도를 바로 다른 분석 장치 혹은 출력 장치로 출력할 수 있다. 만일 동잡음 감지부(12)는 동잡음이 섞여 있다고 판단하면 동잡음을 제거하기 위해서 패턴 정합부(14)로 출력한다.

동잡음 감지부(12)가 입력되는 심전도 신호에 동잡음이 존재한다고 판단하는 과정은 아래와 같다. 동잡음 감지부(12)는 심전도 신호가 입력되면, 입력되는 심전도 신호를 생체 신호 패턴과 코릴레이션 값을 산출한다. 이 경우 생체 신호 패턴은 생체 신호 패턴 생성부(11)가 생성하고, 동잡음 감지부(12)로 출력한 생체 신호 패턴일 수 있고, 혹은 패턴 생성 판단부(10)가 동잡음 감지부(12)로 출력한 저장부(301)의 주소에 저장되어 있는 생체 신호 패턴일 수 있다.

동잡음 감지부(12)가 코릴레이션 값을 산출할 경우, R피크의 위치를 추출한 후 추출된 R피크와 생체 신호 패턴의 R피크를 기준으로 하여 코릴레이션 값을 산출할 수 있다. 동잡음 감지부(12)는 심전도 신호와 생체 신호 패턴 신호의 코릴레이션 값을 산출했는데, 그 산출된 값이 일정 값 미만일 때 동잡음이 있다고 판단할 수 있다. 예를 들면, 산출된 코릴레이션 값이 0.9 미만일 때 동잡음이 있다고 판단할 수 있다.

동잡음 감지부(12)는 입력되는 심전도 신호에 동잡음이 없다고 판단하게 되면, 동잡음을 제거할 필요가 없기 때문에 이를 바로 출력 장치로 출력하거나, 혹은 심전도를 분석하기 위한 장치로 출력한다.

동잡음 감지부(12)는 입력되는 심전도 신호에 동잡음이 있다고 판단하게 되면, 동잡음을 제거하기 위해 패턴 정합부(14)로 출력한다.

도 3에 따르면 재구성 신호 생성부(202)는 패턴 정합부(14), 피크 검출부(16) 및 피크 추정부(17)로 구성된다.

패턴 정합부(14)는 입력되는 심전도 신호의 현재 주기에 생체 신호 패턴을 정합한 신호를 출력한다. 현재 주기란, 심전도 신호가 입력되고 있는 순간의 주기를 의미한다. 패턴 정합부(14)는 피크 추정부(17)에 의해 추정된 현재 주기의 R피크의 위치를 입력 받으면, R피크 위치를 기준으로 생체 신호 패턴을 정합할 수 있다. 예를 들면, 패턴 정합부(14)는 피크 추정부(17)로부터 심전도 신호의 n번 째 주기에서 R피크 위치를 입력 받으면 n번 째 주기에 생체 신호 패턴을 정합시킨다.

도 5은 패턴 정합부(14)가 패턴을 정합하는 방법을 도시한 도면이다. 도 5A는 피크 추정부(17)가 추정한 R피크의 위치를 나타낸 도면이다. 피크 추정부(17)은 R피크의 위치와 크기를 추정하여 패턴 정합부(14)로 출력한다. 패턴 정합부(14)는 도 5A와 같은 R피크의 크기와 위치를 입력 받으면, 이 피크의 위치에 생체 신호 패턴을 정합시킨다. 도 5B는 패턴 정합부(14)가 생체 신호 패턴을 정합한 것을 도시한 도면이다. 패턴 정합부(14)가 생체 신호 패턴을 정합할 때에는 추정된 R피크의 위치와 생체 신호 패턴의 R피크 위치를 일치시킨다. 또한, 심전도의 주기가 다소 변할 수 있기 때문에 R피크의 위치만을 일치시킨다면, 좌우 비율이 맞지 않을 수도 있다. 예를 들면, 사용자가 급격한 운동을 하게 되어 심장 박동이 매우 빠르다고 한다면, 주기가 짧아질 수 있다. 주기가 짧아지게 되면 R피크간의 간격도 좁아지기 때문에 패턴 정합부(14)가 생체 신호 패턴을 정합하게 되면, 전 주기의 정합된 생체 신호 패턴과 현재 주기의 생체 신호 패턴이 겹칠 수 있다. 패턴이 겹치는 경우가 발생하면, 패턴 정합부(14)는 패턴의 좌우 비율을 조절하여서 전 주기의 정합된 생체 신호 패턴이 끝나는 지점과 현 주기 생체 신호 패턴이 시작하는 지점을 일치시킬 수 있다.

패턴 정합부(14)는 환자의 심장 박동이 느려질 때도 동일한 과정을 거칠 수 있다. 환자는 안정을 취하거나 수면상태에 있을 때 분당 심장 박동수가 적어질 수 있다. 이 경우에는 전 주기의 정합된 생체 신호 패턴이 끝나는 지점과 현 주기의 생체 신호 패턴이 시작되는 지점 사이에 신호의 공백이 존재할 수 있다. 따라서 패턴 정합부(14)는 현 주기의 생체 신호 패턴 정합 시 좌우 비율을 조절하여 전 주기의 정합된 생체 신호 패턴이 끝나는 시점과 현 주기의 생체 신호 패턴이 시작되는 시점을 일치시켜서 정합시킬 수 있다. 패턴 정합부(14)는 생체 신호 패턴이 정합된 심전도 신호와 원래 심전도 신호를 동잡음 제거부(203)로 출력한다.

동잡음 제거부(203)는 적응 필터링(Adaptive filtering)을 통해 심전도 신호의 동잡음을 제거한다. 적응 필터링이란, 입력되는 신호가 목표 신호(target signal)에 가장 유사하도록 입력되는 신호(input signal)를 변형시키는 것을 의미한다. 즉, 동잡음 제거부(203)는 패턴이 정합된 신호를 목표 신호로 하여 적응 필터링을 수행한다. 동잡음 제거부(203)는 패턴이 정합된 심전도 신호와 원래 심전도 신호의 오차를 계산하고, 그 오차의 크기가 가장 작도록 원래 심전도 신호를 변경한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 동잡음 제거부(203)는 LMS 필터(Least means square filter)로 구성될 수 있다. 이하의 실시예에서는 적응 필터 중 LMS 필터(Least means square filter)를 이용하여 설명하기로 한다. 하지만, 본 발명의 내용이 LMS 필터에 한정되는 것은 아니다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LMS 필터를 도시한 도면이다. 도 6의 LMS 필터에 따르면 입력으로는 x(n), d(n)이 존재하고, 출력은 y(n)이 존재한다. LMS 필터란 적응 필터(Adaptive filter) 중 하나로써, 신호 오차 값의 최소 평균 자승(Least means square)값을 구한 후, 이 값을 이용해 필터의 계수(filter coefficient)를 구해서 이상적인 필터(또는 이상적인 신호)를 모방하는 필터를 의미한다. LMS 필터의 출력은 입력과 출력이 불연속 신호라고 가정하면, LMS 필터가 생성하는 출력은 아래 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

출력은 y(n), 입력은 x(n) 그리고 h(n)은 필터의 계수를 말한다. M은 생체 신호 패턴의 샘플링 개수를 나타내고 이다. 문자 n은 샘플링 한 데이터 중에서 n번 째임을 나타내며 의 범위를 갖는다. 동잡음 제거부(203)의 목표 신호를 d(n)이라고 한다면, 목표 신호 d(n)와 실제 출력 신호 y(n)과의 오차는 아래 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

e(n)은 오차를 나타낸다.

수학식 3에서

는 오차 e(n)의 제곱의 합을 의미한다. 동잡음 제거부(203)는 오차의 제곱의 합을 최소화 하는 h(n)의 값을 결정하는데, 일반적으로 LMS 알고리즘에서는 h(n)의 값을 추계학적 최급 강하법(stochastic gradient descent, SGD)을 사용한다. 오차의 제곱의 합을 최소화 하는 h(n)의 값을 결정할 때 수학적인 등식을 연산하는 것은 연산이 복잡, 또는 불가능 할 수 있다. SGD 알고리즘은 오차 함수의 그라디언트(Gradient)를 연산한 후 가장 기울기가 급한 경사면으로 필터 파라미터인 h(n)의 값을 이동하고 다시 값을 찾는 것을 반복적으로 수행하여 h(n)의 수렴값을 찾는다. h(n)의 수렴값을 찾는 과정은 수학식 4에 나타나 있다.

수학식 4에서

는 반복을 하기 위한 스텝 크기(step size)으로써,

범위를 가질 때 안정적이다. Px는 아래와 같이 정의된다.

LMS 필터는 필터의 계수인 h(n)를 얻은 후, h(n)을 수학식 1에 적용한 출력 y(n)을 최종적으로 출력한다. LMS 필터의 기본 원리 대한 상세한 설명은, 본 기술 분야에 속한 자라면 알 수 있으므로 생략하기로 한다.

동잡음 제거부(203)는 LMS 필터를 이용하여 패턴이 정합된 심전도 신호와 원래 심전도 신호의 오차를 계산하고, 그 오차의 크기가 가장 작도록 원래 심전도 신호를 변경한다. 왜냐하면 패턴이 정합된 심전도 신호는 동잡음이 존재하지 않을 경우를 예상한 신호라고 할 수 있으므로, 잡음이 존재하지 않는 이상적인 신호이다. 반면, 심전도 신호에는 사용자의 움직임에 의해서 동잡음이 유입될 수 있으므로, 동잡음 제거부(203)는 잡음이 유입된 심전도 신호가 패턴이 정합된 심전도 신호와 유사하도록 출력을 생성한다. 쉽게 설명하면, 동잡음 제거부(203)는 적응 필터링을 통해 잡음이 존재하지 않는 이상적인 신호를 모방하여 동잡음이 제거된 출력을 생성한다. 동잡음 제거부(203)가 생성한 출력은 동잡음이 제거된 심전도 신호로써, 심전도 신호를 분석하는 장치로 출력되거나, 심전도를 디스플레이 하기 위한 출력 장치로 출력된다. 또한 동잡음 제거부(203)가 생성한 출력은 다음 주기에서의 R피크 위치를 추정하기 위해 피크 검출부(16)로 출력된다.

피크 검출부(16)는 다음 주기에서의 R피크를 추정하기 위하여, 심전도 신호의 현재 주기에서 R피크 위치를 검출한다. 좀 더 상세하게 설명하면, 피크 검출부(16)는 본 발명의 일 실시예에 따른 동잡음 제거부(203)에 의해 동잡음이 제거된 심전도 신호를 이용하여 원래 심전도 신호의 현재 주기의 R피크를 검출한다. 피크 검출부(16)가 원래 심전도 신호의 현재 주기의 R피크를 검출하는 과정은 다음과 같다. 피크 검출부(16)는 동잡음이 제거된 심전도 신호의 현재 주기에서의 R피크 위치를 얻는다. 피크 검출부(16)가 동잡음이 제거된 심전도 신호의 현재 주기에서의 R피크의 위치를 얻을 때에, 신호의 세기가 일정 수치 이상일 경우를 R피크의 위치로 얻을 수 있다. 예를 들면, 동잡음이 제거된 심전도 신호의 수치가 1 이상일 때 R피크가 존재 한다고 판단해 그 위치를 현재 주기에서의 R피크의 위치로 얻을 수 있다. 피크 검출부(16)는 동잡음이 제거된 심전도 신호에서의 R피크 위치를 얻으면, 그 위치를 이용하여 원래 심전도 신호에서의 R피크의 위치를 검출한다. 좀 더 구체적으로, 동잡음이 제거된 심전도 신호에서의 R피크 위치를 기준으로 원래 심전도 신호에서의 -10ms ~ +10ms 내에서 세기가 가장 센 신호를 R피크로 검출한다. 원래 심전도 신호는 동잡음이 섞여 있기 때문에 R피크를 검출하기가 쉽지 않은데, 동잡음이 제거된 심전도 신호에서의 R피크 위치를 중심으로 한 주변에서 R피크의 위치를 검출할 경우 정확도를 높일 수 있기 때문이다.

한편, 생체 신호가 심전도 신호가 아니라, 발리스토카르디오그램(ballistocardiogram, BCG), 광혈류 측정 신호(Photoplethysmograph, PPG) 등 신호일 경우, R피크에 준하는 신호의 위치를 검출 할 수 있다. 예를 들면, 피크 검출부(16)는 이 BCG 또는 PPG신호에서 심실이 수축하는 순간의 신호를 검출할 수 있다. 피크 검출부(16)는 추정한 R피크 신호의 위치를 피크 추정부(17)로 출력한다.

피크 추정부(17)는 피크 검출부(16)가 검출한 R피크 신호의 위치를 기초로 하여 다음 주기에서 심전도 신호의 R피크 위치를 추정한다. 예를 들면, 피크 검출부(16)가 n번 째 주기에서 심전도 신호의 R피크 위치를 검출했다면, 피크 추정부(17)는 n+1번 째 주기에서 심전도 신호의 R피크 위치를 추정한다. 피크 추정부(17)가 n+1번 째 주기에서 심전도 신호의 R피크 위치를 추정하는 과정은 다음과 같다. 피크 추정부(17)는 n번 째 주기에서의 R피크의 위치에 심전도 신호의 주기만큼 더한 위치에 n+1번 째 주기에서의 R피크 위치로 추정할 수 있다. 이 경우 심전도 신호에서의 주기는 일정하지는 않으므로, 피크 추정부(17)는 n-10 ~ n-1의 주기에 해당하는 주기 값의 평균을 심전도 신호의 주기라고 근사할 수 있다. 피크 추정부(17)가 신호의 주기를 이용하여 피크의 위치를 추정하는 것을 예를 들면, n번 째 주기에서 R피크의 위치를 6.54초 이고, 심전도 신호의 주기 T를 1.20초라고 가정할 경우 피크 추정부(17)는 n+1번 째 R피크의 위치를 7.74초라고 추정할 수 있다.

표시장치(300)는 동잡음 제거장치(200)에서 측정된 생체신호를 표시한다. 예를 들어 설명하면, 표시장치(300)는 생체 신호 검출 시스템(3000)에 마련된 디스플레이 패널, LCD 화면, 모니터 등의 출력 장치를 모두 포함한다.

다만, 본 실시예에 따른 생체 신호 검출 시스템(3000)은 표시장치(300)를 구비하지 않고, 동잡음 제거장치(200)에서 측정된 생체신호를 외부의 표시장치(미도시)로 출력하기 위한 통신부(302)를 구비할 수도 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있다.

저장부(301)는 생체 신호 검출 시스템(3000)의 동작을 수행하는 중에 발생하는 데이터를 저장한다. 본 실시예에 따른 저장부(301)는 통상적인 저장매체로서 본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 저장부(1300)는 하드디스크드라이브(Hard Disk Drive, HDD), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 플래쉬메모리(Flash Memory) 및 메모리카드(Memory Card)를 모두 포함함을 알 수 있다.

통신부(302)는 유, 무선 네트워크 또는 유선 직렬 통신 등을 통하여 외부장치와 데이터를 송수신할 수 있다. 예를 들어 설명하면, 외부장치는 원격지에 위치한 다른 의료영상시스템, 범용 컴퓨터 시스템, PDA(Personal Digital Assets), 휴대용 단말기, 팩시밀리 등을 포함할 수 있다.

이때, 네트워크(network)는 인터넷(Internet), LAN(Local Area Network), Wireless LAN(Wireless Local Area Network), WAN(Wide Area Network), PAN(Personal Area Network) 등을 포함하나 이에 한정되지 않고 정보를 송수신할 수 있는 다른 종류의 네트워크가 될 수도 있음을 알 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 저장부(301) 및 통신부(302)는 영상 판독 및 검색 기능을 더 포함시켜 PACS(Picture Archiving Communication System)와 같은 형태로 일체화될 수도 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있다.

이에 따라, 본 실시예에 따른 생체 신호 검출 시스템(3000)은 동잡음 제거장치(200)에서 측정된 생체신호를 표시하거나, 저장하거나, 외부장치로 출력할 수 있다. 그러하기에, 동잡음 제거장치(200)에서 측정된 생체신호의 활용도를 향상시킬 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 동잡음 제거 방법의 흐름도를 도식한 도면이다. 7000단계에서 생체 신호 획득부(201)는 피검자로부터 생체 신호를 획득한다. 이 경우 생체 신호는 앞선 생체 신호 획득부(201)에서 설명한 바와 동일하므로 설명은 생략한다. 7001단계에서 재구성 신호 생성부(202)는 생체 신호 패턴과 획득된 생체 신호의 비교결과에 따라, 상기 획득된 생체 신호에 대한 재구성 신호를 생성한다. 이 경우 생체 신호 패턴 및 재구성 신호는 앞서 설명한 바와 동일하다. 7002단계에서 동잡음 제거부(203)는 재구성된 신호 및 획득한 생체 신호의 차이에 기초하여 상기 획득한 생체 신호의 동잡음을 제거한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 동잡음 제거 방법의 흐름도를 도식한 도면이다. 71단계에서 패턴 생성 판단부(10)는 생체 신호 패턴이 존재하는지 판단한다. 71단계에서 패턴 생성 판단부(10)는 생체 신호 패턴이 존재하지 않는다고 판단하면, 73단계의 생체 신호 패턴 생성부(11)로 생체 신호 패턴을 생성할 것을 요청한다. 71단계에서 패턴 생성 판단부(10)는 생체 신호 패턴이 존재하지 않는다고 판단하면, 72단계로 진행한다. 72단계에서 동잡음 감지부(12)는 입력되는 심장 생체 전기 신호에 동잡음이 있는지 없는지 판단한다. 72단계에서 동잡음 감지부(12)는 동잡음이 없다고 판단하면 종료한다. 72단계에서 동잡음 감지부(12)는 동잡음이 있다고 판단하면, 74단계로 진행한다. 74단계에서 피크 추정부(17)은 현재 심장 생체 전기 신호가 입력되는 주기보다 한 주기 전 피크 위치를 기초로 현재 입력되는 주기의 피크를 추정한다. 75단계에서 패턴 정합부(14)는 피크 추정부(17)가 추정한 입력되는 심장 생체 전기 신호 피크의 위치에 생체 신호 패턴을 정합한다. 76단계에서 동잡음 제거부(15)는 적응 필터링을 통해 심장 생체 전기 신호의 동잡음을 제거한다. 77단계에서 피크 검출부(16)는 동잡음 제거부(15)가 제거한 동잡음 신호에서 피크를 검출하고, 이를 피크 추정부(17)로 출력한다.

한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 본 발명의 실시예에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 ... 검출 프로브
200 ... 동잡음 제거 장치
300 ... 표시 장치

Claims

생체 신호의 동잡음을 제거하는 방법에 있어서,
피검자로부터 생체 신호를 획득하는 단계;
상기 피검자로부터 기 측정된 생체 신호를 이용하여 생성된 상기 피검자에 대한 생체 신호 패턴을 생성하고, 상기 획득된 생체 신호의 피크 위치와 상기 생체 신호 패턴의 피크 위치가 대응하도록 생체 신호 패턴을 연속적으로 연결하여 재구성 신호를 생성하는 단계; 및
상기 재구성된 신호 및 상기 획득된 생체 신호의 차이에 기초하여 상기 획득된 생체 신호의 동잡음을 제거하는 단계를 포함하는 동잡음을 제거하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 피검자에 대한 생체 신호 패턴은 상기 피검자로부터 기 측정된 생체 신호로부터 주기적으로 반복되는 패턴을 나타내는 동잡음을 제거하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 피검자에 대한 생체 신호 패턴이 존재하지 않는 경우, 상기 획득된 생체 신호를 주기별로 분할하고, 분할된 주기별 생체 신호들 중 유사도가 큰 소정의 개수의 주기별 생체 신호들을 평균하여 상기 피검자에 대한 생체 신호 패턴을 생성하는 단계를 더 포함하고
상기 재구성 신호를 생성하는 단계는 상기 생성된 피검자에 대한 생체 신호 패턴을 이용하여 상기 재구성 신호를 생성하는 동잡음을 제거하는 방법.
제 3 항에 있어서 상기 생체 신호 패턴을 생성하는 단계는
상기 분할된 주기별 생체 신호들 간의 코릴레이션 값을 기초로 유사도를 판단하는 동잡음을 제거하는 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 재구성 신호를 생성하는 단계는
상기 획득된 생체 신호에서 피크의 위치들을 추정하는 단계;
를 포함하는 동잡음을 제거하는 방법.
제 1 항에 있어서 상기 동잡음을 제거하는 단계는,
상기 재구성된 신호를 목표 신호(target signal)로 하고, 상기 획득된 생체 신호를 입력 신호(input signal)로 하여 적응 필터링(Adaptive filtering)하는 단계인 동잡음을 제거하는 방법.
제 6 항에 있어서 상기 동잡음을 제거하는 단계는
LMS 필터(Least means square filter)를 사용하여 적응 필터링을 하는 동잡음을 제거하는 방법.
제 1 항에 있어서
상기 생체 신호는 심전도 신호인 동잡음을 제거하는 방법.
생체 신호의 동잡음을 제거하는 장치에 있어서,
피검자로부터 생체 신호를 획득하는 생체 신호 획득부;
상기 피검자로부터 기 측정된 생체 신호를 이용하여 생성된 상기 피검자에 대한 생체 신호 패턴을 생성하고, 상기 획득된 생체 신호의 피크 위치와 상기 생체 신호 패턴의 피크 위치가 대응하도록 생체 신호 패턴을 연속적으로 연결하여 재구성 신호를 생성하는 재구성 신호 생성부; 및
상기 재구성된 신호 및 상기 획득된 생체 신호의 차이에 기초하여 상기 획득된 생체 신호의 동잡음을 제거하는 동잡음 제거부를 포함하는 동잡음을 제거하는 장치.
제 10 항에 있어서
상기 피검자에 대한 생체 신호 패턴은 상기 피검자로부터 기 측정된 생체 신호로부터 주기적으로 반복되는 패턴을 나타내는 동잡음을 제거하는 장치.
제 10 항에 있어서
상기 피검자에 대한 생체 신호 패턴이 존재하지 않는 경우, 상기 획득된 생체 신호를 주기별로 분할하고, 분할된 주기별 생체 신호들 중 유사도가 큰 소정의 개수의 주기별 생체 신호들을 평균하여 상기 피검자에 대한 생체 신호 패턴을 생성하는 생체 신호 패턴 생성부를 더 포함하고
상기 재구성 신호 생성부는 상기 생성된 피검자에 대한 생체 신호 패턴을 이용하여 상기 재구성 신호를 생성하는 동잡음을 제거하는 장치.
제 12 항에 있어서 상기 생체 신호 패턴 생성부는
상기 분할된 주기별 생체 신호들 간의 코릴레이션 값을 기초로 유사도를 판단하는 동잡음을 제거하는 장치.
삭제
제 10 항에 있어서 상기 재구성 신호 생성부는
상기 획득된 생체 신호에서 피크의 위치들을 추정하는 피크 추정부; 및
상기 획득된 생체 신호의 피크 위치와 상기 생체 신호 패턴의 피크 위치가 대응하도록 생체 신호 패턴을 연속적으로 연결한 재구성 신호를 생성하는 패턴 정합부를 포함하는 동잡음을 제거하는 장치.
제 10 항에 있어서 상기 동잡음을 제거부는
상기 재구성된 신호를 목표 신호(target signal)로 하고, 상기 획득된 생체 신호를 입력 신호(input signal)로 하여 적응 필터링(Adaptive filtering)하는 단계인 동잡음을 제거하는 장치.
제 16 항에 있어서 상기 동잡음 제거부는
LMS 필터(Least means square filter)를 사용하여 적응 필터링을 하는 동잡음을 제거하는 장치.
제 10 항에 있어서
상기 생체 신호는 심전도 신호인 동잡음을 제거하는 장치.
제 1 항 내지 제 4항, 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.