KR102448860B1 - Prediction of Ventricular Fibrillation by Machine Learning Based on QRS Complex Shape Features - Google Patents

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Abstract

본 발명은 QRS 복합체 형태를 기반으로 하여 머신 러닝을 통한 심실 세동 예측방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 기존 심박변이도 특징과 비교하여 심실세동의 조기 예측을 위해 QRS 복합체에서 추출된 특징을 사용하되 QRS 복합체 형태 특징 4개와 심박변이도 특징 11개를 이용하여 심실 세동 발생의 예측 정확도가 현격하게 향상되는 QRS 복합체 형태를 기반으로 하여 머신 러닝을 통한 심실 세동 예측방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 인공신경망 학습을 이용한 심실세동 예측방법에 있어서, 상기 심실세동 예측방법은 상기 인공 신경망으로 학습하기 위한 피험자의 데이터베이스 선정이 이루어지는 단계; 상기 데이터베이스 내에 심전도 신호가 특정되는 단계; 상기 심전도 신호에서 심실세동 예측 파라미터에 따른 데이터들을 추출하는 단계; 및 상기 추출된 데이터터들을 인공 신경망(ANN)으로 학습시키는 단계를 포함하며, 상기 심실세동 예측 파라미터는 복수의 QRS 복합체 특징이다.
The present invention relates to a method for predicting ventricular fibrillation through machine learning based on the QRS complex shape. A method for predicting ventricular fibrillation through machine learning based on the QRS complex form, in which the prediction accuracy of the occurrence of ventricular fibrillation is significantly improved using 4 morphological features and 11 heart rate variability features.
To this end, the present invention provides a method for predicting ventricular fibrillation using artificial neural network learning, the method comprising: selecting a database of subjects for learning through the artificial neural network; specifying an electrocardiogram signal in the database; extracting data according to a ventricular fibrillation prediction parameter from the electrocardiogram signal; and training the extracted data data with an artificial neural network (ANN), wherein the ventricular fibrillation prediction parameter is a feature of a plurality of QRS complexes.

Description

QRS 복합체 형태 특징을 기반으로 하여 머신 러닝을 통한 심실세동 예측방법{Prediction of Ventricular Fibrillation by Machine Learning Based on QRS Complex Shape Features}Prediction of Ventricular Fibrillation by Machine Learning Based on QRS Complex Shape Features}

본 발명은 QRS 복합체 형태 특징을 기반으로 하여 머신 러닝을 통한 심실 세동 예측방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 기존 심박변이도 특징과 비교하여 심실세동의 조기 예측을 위해 QRS 복합체에서 추출된 특징을 사용하되 QRS 복합체 형태 특징 4개와 심박변이도 특징 11개를 이용하여 심실 세동 발생의 예측 정확도가 현격하게 향상되는 QRS 복합체 형태를 기반으로 하여 머신 러닝을 통한 심실 세동 예측방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for predicting ventricular fibrillation through machine learning based on QRS complex morphological features. A method for predicting ventricular fibrillation through machine learning based on the QRS complex form, in which the prediction accuracy of the occurrence of ventricular fibrillation is significantly improved using four complex form features and 11 heart rate variability features.

심전도 신호를 측정하여 분석하는 것이 심장 부정맥과 같은 심장의 전기 전도 기능 장애를 식별하는 효율적인 방법이기 때문에 기존에는 심전도를 조사하여 심실세동 발생을 검출 및 예측하려고 시도했다. 아울러 심실세동 검출을 위해 심박변이도 특징을 사용하였다. 호흡율변이도 (Respiratory Rate Variability; RRV) 특징과 인공 신경망을 사용하여 심실세동 예측의 정확도를 향상시킨 사례도 있다. 호흡율변이도와 심박변이도의 특징을 함께 사용한 예측 성능은 심박변이도만의 특징을 사용한 경우보다 예측 성능이 향상되었다. Because measuring and analyzing ECG signals is an efficient method to identify electrical conduction dysfunction of the heart, such as cardiac arrhythmias, existing attempts have been made to detect and predict the occurrence of ventricular fibrillation by examining the ECG. In addition, heart rate variability was used to detect ventricular fibrillation. There is also a case of improving the accuracy of ventricular fibrillation prediction using the Respiratory Rate Variability (RRV) feature and artificial neural networks. The prediction performance using both the respiratory rate variability and heart rate variability features was improved compared to the case where only the heart rate variability features were used.

종래 여러 경우에서 심박변이도, 호흡율변이도, 기타 특징 및 이들의 조합을 사용하여 심실세동을 예측하기도 했는데, QRS 복합체 특징을 고려한 예측방법은 아직까지 소개되지 않았다..In the past, ventricular fibrillation was predicted using heart rate variability, respiratory rate variability, other characteristics, and combinations thereof in several cases, but a prediction method considering the QRS complex characteristics has not yet been introduced.

QRS 복합체는 심실의 전기적 활성파를 잘 나타낼 수 있는 중요한 특징이므로, QRS 복합체에서 유의미한 특징을 추출하여 심박변이율 특징점과 함께 머신러닝 기법으로 심실세동을 예측한다면 성능이 더욱 향상 할 수 있을 것이다. Since the QRS complex is an important feature that can represent the electrical activity of the ventricle well, the performance can be further improved if meaningful features are extracted from the QRS complex and predicting ventricular fibrillation using machine learning techniques along with heart rate variability feature points.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 심전도의 심박변이율과 QRS 복합체의 형상을 주된 특징으로 한 머신러닝 기법을 이용하여 심실세동 발생을 미리 수 초에서 수십 초 전에 예측하는 QRS 복합체 형태를 기반으로 하여 머신 러닝을 통한 심실 세동 예측방법을 제공함에 그 목적이 있다. The present invention has been devised to solve the above problems, and it is a QRS complex type that predicts the occurrence of ventricular fibrillation from several seconds to several tens of seconds in advance using a machine learning technique that mainly features the heart rate variability of the electrocardiogram and the shape of the QRS complex. The purpose is to provide a method for predicting ventricular fibrillation through machine learning based on

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.The present invention has the following features to achieve the above object.

본 발명은 인공신경망 학습을 이용한 심실세동 예측방법에 있어서, 상기 심실세동 예측방법은 인공 신경망으로 학습하기 위한 피험자의 데이터베이스 선정이 이루어지는 단계; 상기 데이터베이스 내에 심전도 신호가 특정되는 단계; 상기 심전도 신호에서 심실세동 예측 파라미터에 따른 데이터들을 추출하는 단계; 상기 추출된 데이터들을 인공 신경망(ANN)으로 학습시키는 단계를 포함하며, 상기 심실세동 예측 파라미터는 복수의 QRS 복합체 특징인 것을 특징으로 한다.The present invention provides a method for predicting ventricular fibrillation using artificial neural network learning, the method comprising: selecting a database of subjects for learning through an artificial neural network; specifying an electrocardiogram signal in the database; extracting data according to a ventricular fibrillation prediction parameter from the electrocardiogram signal; and training the extracted data with an artificial neural network (ANN), wherein the ventricular fibrillation prediction parameter is a feature of a plurality of QRS complexes.

상기에 있어서, 상기 심실세동 예측 파라미터는 상기 심전도 신호에서 추출되는 복수의 심박변이도 특징을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In the above, the ventricular fibrillation prediction parameter is characterized in that it further comprises a plurality of heart rate variability characteristics extracted from the electrocardiogram signal.

상기 복수의 심박변이도 특징은 연속적인 R-피크 대 R-피크 간격(RR 간격)을 이용하여 계산되는 복수의 시간 도메인 특징들, 복수의 주파수 도메인 특징들, 복수의 푸엥카레 비선형 분석 특징들을 포함하는 것을 특징으로 한다.wherein the plurality of heart rate variability features include a plurality of time domain features, a plurality of frequency domain features, and a plurality of Poincare nonlinear analysis features calculated using successive R-peak to R-peak intervals (RR intervals). characterized in that

상기 복수의 시간 도메인 특징들은 4개로, 각각 RR 간격의 평균(MeanNN으로 NN(RR)로 표기), NN(RR) 간격의 표준 편차(SDNN), 연속된 NN(RR) 간격의 평균 제곱 차의 제곱근(RMSSD) 및 총 NN(RR) 간격에 의해 50ms 보다 큰 연속 NN(RR) 간격의 간격 차이 비율(pNN50)로 구성되며, 아래 수식 (1)내지 (4)로 정의되는 것을 특징으로 한다.The plurality of time domain features are four, respectively, the mean of the RR intervals (represented as NN(RR) in MeanNN), the standard deviation (SDNN) of the NN(RR) intervals, and the mean square difference of consecutive NN(RR) intervals. It is composed of the interval difference ratio (pNN50) of successive NN(RR) intervals greater than 50 ms by the square root (RMSSD) and total NN(RR) intervals, and is characterized as defined by Equations (1) to (4) below.

Figure 112020107769590-pat00001
Figure 112020107769590-pat00001

(여기서, RR(i)는 i번째 R-피크 대 R-피크 간 간격을 의미하며, i, N은 자연수)(Here, RR(i) means the interval between the i-th R-peak and R-peak, and i and N are natural numbers)

상기 복수의 주파수 도메인 특징들은 4개로, 각각 초저주파(VLF) 대역(0 ~ 0.04 Hz), 저주파(LF) 대역(0.04 ~ 0.15 Hz), 고주파(HF) 대역(0.15 ~ 0.4 Hz)으로 이루어지는 3 가지 주파수 대역을 Hanning window(window 크기가 오버랩 50 %를 가지는 256 포인트)를 가지는 Welch의 주기도를 사용하여 계산된 각 주파수 대역의 파워 스펙트럼 밀도(PSD)와, 상기 저주파(LF) 대역과 상기 고주파(HF) 대역의 파워스펙트럼 밀도의 비율로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The plurality of frequency domain features are four, each consisting of a very low frequency (VLF) band (0 to 0.04 Hz), a low frequency (LF) band (0.04 to 0.15 Hz), and a high frequency (HF) band (0.15 to 0.4 Hz). The power spectral density (PSD) of each frequency band calculated using Welch's periodogram with a Hanning window (256 points with a window size of 50% overlap), the low frequency (LF) band and the high frequency ( HF) is characterized in that it consists of a ratio of the power spectrum density of the band.

상기 복수의 푸엥카레 비선형 분석 특징들은 3개로, i번째 RR간격 수직선의 포인트 및 동일 선의 축에 따른 포인트의 분산이며, 연속 RR 간격의 표준 편차(SD1), 상기 동일 선의 축에 따른 포인트의 표준 편차(SD2), 및 상기 SD1과 상기 SD2의 비율(SD1/SD2)로 구성되며, 아래 수식 (5) 내지 (6)로 정의되는 것을 특징으로 한다.The plurality of Poencare nonlinear analysis features are three, the i-th RR interval is the point of the vertical line and the variance of the point along the axis of the same line, the standard deviation of consecutive RR intervals (SD1), the standard deviation of the point along the axis of the same line (SD2), and the ratio of SD1 to SD2 (SD1/SD2), and is characterized by being defined by Equations (5) to (6) below.

Figure 112020107769590-pat00002
Figure 112020107769590-pat00002

(여기서, RR(i)는 i번째 R-피크 대 R-피크 간 간격을 의미하며, i는 자연수)(where RR(i) is the interval between the i-th R-peak and the R-peak, and i is a natural number)

상기 복수의 QRS 복합체 특징은 4개의 QRS 복합체 특징이며, QRS 복합체 형태(Shape)로부터 추출되고, 상기 QRS 복합체 형태는 산출된 QRS 복합체 표시영역과 R-피크로부터 Q, R 및 S 파를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The plurality of QRS complex features are four QRS complex features, extracted from a QRS complex shape, and the QRS complex form includes Q, R and S waves from the calculated QRS complex display region and R-peak. characterized by being

상기 4개의 QRS 복합체 특징은 QRS 복합체 표시영역과 R-피크 진폭의 평균((QRSaM, RPampM))들과 평균들의 표준 편차(QRSaSD, RPampSD)로 구성되며, 아래 수식 (7) 내지 (10)으로 정의되어 지는 것을 특징으로 한다.The four QRS complex features are composed of the QRS complex display area, the averages ((QRSaM, RPampM)) of the R-peak amplitudes, and the standard deviations (QRSaSD, RPampSD) of the means, as shown in Equations (7) to (10) below. characterized by being defined.

Figure 112020107769590-pat00003
Figure 112020107769590-pat00003

(여기서, N은 자연수)(where N is a natural number)

본 발명에 따르면 기존 심박변이도 특징에 의한 머신러닝기법과 비교하여 심실세동의 조기 예측의 정확도를 대폭 향상시킬 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, there is an effect that can significantly improve the accuracy of early prediction of ventricular fibrillation compared to the existing machine learning technique based on the heart rate variability characteristic.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 심실세동 예측과정을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 심실세동 예측과정을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 심실세동 예측과정을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 4는 비교예에 따라 11개 심박변이도 특징만으로 심실세동 예측과정을 수행하는 블럭도이다.
도 5는 심전도 신호를 설명하는 도면이다.
도 6은 심실세동이 발생하기 전 심전도(a) 와 심박변이도 신호(b)의 일예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 인공 신경망의 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예에 따른 두 개의 모델과 비교예에 따른 한 개의 모델에 대한 ROC(수신기 동작 특성)곡선을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예 따른 두 개의 모델과 비교예에 따른 한 개의 모델에 대한 예측 정확도의 평균 및 표준 편차를 나타내는 도면이다.
1 is a flowchart illustrating a ventricular fibrillation prediction process according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram schematically illustrating a ventricular fibrillation prediction process according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram schematically illustrating a ventricular fibrillation prediction process according to another embodiment of the present invention.
4 is a block diagram of performing a ventricular fibrillation prediction process using only 11 heart rate variability characteristics according to a comparative example.
5 is a diagram for explaining an electrocardiogram signal.
6 is a diagram illustrating an example of an electrocardiogram (a) and a heart rate variability signal (b) before ventricular fibrillation occurs.
7 is a diagram showing the structure of an artificial neural network according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing ROC (receiver operating characteristic) curves for two models according to an embodiment and another embodiment of the present invention and one model according to a comparative example.
9 is a diagram illustrating the average and standard deviation of prediction accuracy for two models according to an embodiment and another embodiment of the present invention and one model according to a comparative example.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.In order to explain the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be exemplified below and will be described with reference to them.

먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.First, the terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention, and the singular expression may include a plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In addition, in this application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other It is to be understood that this does not preclude the possibility of addition or presence of features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 심실세동 예측과정을 나타내는 순서도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 심실세동 예측과정을 개략적으로 도시한 블럭도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 심실세동 예측과정을 개략적으로 도시한 블럭도이다. 1 is a flowchart illustrating a ventricular fibrillation prediction process according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram schematically illustrating a ventricular fibrillation prediction process according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a block diagram schematically illustrating a ventricular fibrillation prediction process according to another embodiment.

아울러 도 4는 비교예에 따라 11개 심박변이도 특징만으로 심실세동 예측과정을 수행하는 블럭도이며, 도 5는 심전도 신호를 설명하는 도면이고, 도 6은 심실세동이 발생하기 전 심전도(a) 와 심박변이도 신호(b)의 일예를 나타내는 도면이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 인공 신경망의 구조를 나타내는 도면이다. 4 is a block diagram of performing a ventricular fibrillation prediction process only with 11 heart rate variability characteristics according to a comparative example, FIG. 5 is a diagram illustrating an electrocardiogram signal, and FIG. 6 is an electrocardiogram (a) and It is a diagram showing an example of a heart rate variability signal (b), and FIG. 7 is a diagram showing the structure of an artificial neural network according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 심실세동 예측방법은 크게 인공 신경망으로 학습하기 위한 피험자의 데이터베이스 선정이 이루어지는 단계(S10)와, 상기 데이터베이스 내에 심전도 신호가 특정되는 단계(S20)와, 상기 심전도 신호에서 심실세동 예측 파라미터에 따른 데이터들을 추출하는 단계(S30)와, 상기 추출된 데이터들을 인공 신경망(ANN)으로 학습시키는 단계(S40)로 이루어진다.Referring to the drawings, the method for predicting ventricular fibrillation according to an embodiment of the present invention includes a step (S10) of selecting a database of subjects for learning with an artificial neural network (S10), and a step (S20) of specifying an electrocardiogram signal in the database; Extracting data according to the ventricular fibrillation prediction parameter from the electrocardiogram signal (S30) and training the extracted data with an artificial neural network (ANN) (S40).

여기서 상기 인공 신경망으로 학습을 위해 피험자의 데이터베이스 선정이 이루어지는 단계(S10)는 본 발명의 일실시예에 따라 PhysioNet(xRRID : SCR_007345)에서 무료로 사용할 수 있는 데이터베이스를 사용하였다.Here, in the step (S10) of selecting a database of a subject for learning with the artificial neural network, a database that can be used for free in PhysioNet (xRRID: SCR_007345) was used according to an embodiment of the present invention.

예를 들면 Creighton University (CU) 심실 빈맥 부정맥 데이터베이스(CUDB), 발작성 심방 세동(PAF) 예측 챌린지 데이터베이스(PAFDB) 및 MIT-BIH 정상 부비동 리듬 데이터베이스(NSRDB)의 정상 데이터 세트를 사용한다. Normal data sets from, for example, the Creighton University (CU) Ventricular Tachyarrhythmia Database (CUDB), Paroxysmal Atrial Fibrillation (PAF) Predictive Challenge Database (PAFDB), and MIT-BIH Normal Sinus Rhythm Database (NSRDB) are used.

여기서 CUDB의 경우 샘플링 주파수는 250Hz이고 다른 두 데이터베이스의 경우 128Hz이며, CUDB에는 35개의 데이터가 있었지만 일부는 심실빈맥(VT) 이벤트(심실세동 이벤트 제외)만 포함하고 있어서 제외하고, 그 나머지들 중 필요한 데이터 길이(150초) 보다 짧은 7개의 데이터 또한 제외함에 따라 총 27개의 데이터가 데이터 분석에 사용되었다. Here, the sampling frequency is 250 Hz for CUDB and 128 Hz for the other two databases, CUDB had 35 data but excluded some because they only contained ventricular tachycardia (VT) events (excluding ventricular fibrillation events), and among the rest, the necessary As 7 data shorter than the data length (150 sec) were also excluded, a total of 27 data were used for data analysis.

대조군은 28명의 피험자(PAFDB의 피브릴 케이스가 없는 22명의 피험자 및 NSRDB의 6명의 피험자)로 구성된다.The control group consisted of 28 subjects (22 subjects without fibril cases in PAFDB and 6 subjects in NSRDB).

이에 따라 데이터베이스 선정이 완료되면(S10), 해당 데이터베이스에서 심전도 신호를 특정하는데(S20), PhysioNet(RRID:SCR_007345)의 데이터베이스에는 원시 심전도 신호와 해당 심박변이도 신호가 포함되어 있다. Accordingly, when the database selection is completed (S10), the ECG signal is specified in the corresponding database (S20). The database of PhysioNet (RRID:SCR_007345) includes the raw ECG signal and the corresponding heart rate variability signal.

R-피크와 R-피크 간의 간격(RR)은 PhysioNet(PhysioNet, RRID:SCR_007345) 의 주석 파일을 읽음으로써 생성되었으며, 도 5 및 도 6은 심전도 신호를 설명하는 도면 및 심실세동이 발생하기 전의 심전도 및 심박변이도 신호의 예를 각각 나타낸다. The interval (RR) between R-peak and R-peak was generated by reading the annotation file of PhysioNet (PhysioNet, RRID:SCR_007345), and FIGS. and examples of heart rate variability signals, respectively.

우선 도 5에 도시된 바와 같이 심장의 전기적 활성화 단계를 반영하는 심전도의 파형은 다음 그림과 같이 기본적으로 P, Q, R, S, T파로 구성된다. P파는 심방 탈분극시기에 발생하며, QRS군은 심실 탈분극 시기, T파는 심실 재분극 시기를 반영한다.First, as shown in FIG. 5, the waveform of the electrocardiogram reflecting the electrical activation phase of the heart is basically composed of P, Q, R, S, and T waves as shown in the following figure. The P wave occurs during atrial depolarization, the QRS group reflects the ventricular depolarization period, and the T wave reflects the ventricular repolarization period.

보통 P파는 상향이며 약간 둥근 모양을 보이며, 정상적인 심방 탈분극 벡터는 아래쪽, 왼쪽으로 향한다. 보통 상향을 향하지만, 심방이나 방실 접합부의 아래쪽에 있는 ectopic pacemaker에서 심방의 활동전위가 발생하면 하향으로 나타난다.Usually, the P wave is upward and has a slightly rounded shape, and the normal atrial depolarization vector is downward and leftward. It is usually directed upward, but appears downward when an atrial action potential occurs in the ectopic pacemaker located below the atria or atrioventricular junction.

우심방의 압력증가, 우심방 확장과 비대(과부하) 등은 크고 대칭적으로 뾰족한 P파(P-pulmonale)를 만든다. 만성 폐쇄성 폐질환, 천식발작, 급성 폐색전, 급성 폐부종등의 질환시에 발견될 수 있으며, 비정상 P파는 동성 빈맥에서도 나타날 수 있다.Increased right atrium pressure, right atrium dilatation and hypertrophy (overload), etc. create a large, symmetrical, sharp P-wave (P-pulmonale). It can be found in diseases such as chronic obstructive pulmonary disease, asthma attack, acute pulmonary embolism, and acute pulmonary edema. Abnormal P-wave can also appear in sinus tachycardia.

Q파, R파, S파로 이루어지는 QRS 복합체는 심실의 탈분극 상태를 반영한다.The QRS complex composed of Q, R, and S waves reflects the depolarization state of the ventricles.

심실의 탈분극은 방실접합부 부근의 심실간 중격의 왼쪽 부분에서 시작되어 심실간 중격을 가로질러 왼쪽에서 오른쪽으로 진행된다. 따라서 Q파는 심실간 중격의 탈분극을 나타내며, QRS 복합체의 나머지 부분은 동시적으로 일어나는 좌/우 심실의 탈분극을 나타낸다. Ventricular depolarization begins in the left portion of the interventricular septum near the atrioventricular junction and proceeds from left to right across the interventricular septum. Therefore, the Q wave represents the depolarization of the interventricular septum, and the rest of the QRS complex represents the simultaneous left and right ventricular depolarization.

좌심실이 우심실보다 크고 많은 근육을 가지고 있기 때문에 QRS복합체의 대부분이 좌심실의 탈분극을 나타낸다. R 파는 처음 기록된 상향파로 정의되고, Q 파는 R파 앞에 기록된 하향파로 정의되며, S 파는 R파 다음에 기록된 하향파로 정의된다.Because the left ventricle is larger than the right ventricle and has many muscles, most of the QRS complex exhibits depolarization of the left ventricle. The R wave is defined as the first recorded upwave, the Q wave is defined as the downwave recorded before the R wave, and the S wave is defined as the downwave recorded after the R wave.

비정상 QRS군의 원인은 심실 내 전도장애(각차단 등), 비정상적 방실전도(조기흥분 증후군) 등에 있다.The causes of abnormal QRS group include intraventricular conduction disorder (angle block, etc.) and abnormal atrioventricular conduction (premature excitability syndrome).

아울러 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에서는 심전도 신호를 요구시간과 예측시간으로 구분하였으며, 요구시간은 심실세동 시작 시간 전 150초에서 30초 사이의 형태 추출에 사용된 시간을 나타내며, 예측 시간은 심실세동이 시작되기 30초에서 0초 사이의 시간을 나타낸다. 요구시간 데이터를 사용하여 예측 시간 이전에 심실세동 발생을 예측할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 6, in the present invention, the ECG signal is divided into a required time and a predicted time, and the required time represents the time used for shape extraction between 150 and 30 seconds before the start time of ventricular fibrillation, and the predicted time is It represents the time between 30 seconds and 0 seconds before the onset of ventricular fibrillation. Demand time data can be used to predict the occurrence of ventricular fibrillation before the predicted time.

심전도 신호가 특정되면(S20) 상기 심전도 신호에서 심실세동 예측 파라미터에 따른 데이터들을 추출되는 단계(S30)가 수행되는데, 여기서 심실세동 예측 파라미터는 본 발명의 일실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 4개소의 QRS 복합체 특징이며, 본 발명의 다른 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 4개소의 QRS 복합체 특징에 11개의 심박변이도 특징이 더 포함된다. When the electrocardiogram signal is specified (S20), a step of extracting data according to the ventricular fibrillation prediction parameter from the electrocardiogram signal (S30) is performed. There are four QRS complex features, and in another embodiment of the present invention, 11 heart rate variability features are further included in the four QRS complex features as shown in FIG. 3 .

본 발명에 일실시예 및 다른 실시예에 따른 심실세동 예측 파라미터인 상기 11개의 심박변이도 특징과 4개의 QRS 복합체 특징을 [표 1]에 나타내었다. [Table 1] shows the 11 heart rate variability characteristics and the 4 QRS complex characteristics, which are ventricular fibrillation prediction parameters according to one embodiment and another embodiment of the present invention.

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우선 본 발명의 일실시예에 따른 심실세동 예측 파라미터는 4개의 QRS 복합체 특징으로 이루어진다. First, the ventricular fibrillation prediction parameter according to an embodiment of the present invention consists of four QRS complex features.

이러한 4개의 QRS 복합체 특징(시간 영역)은 심실세동이 발병되기 전 150초에서 30초 사이의 요구시간에서 원하는 특징을 추출한다. QRS 복합체 표시영역 및 R- 피크 진폭은 PhysioNet(PhysioNet, RRID : SCR_007345) Matlab 툴박스로부터 심전도- 유도 호흡기(EDR)로 알려진 특징을 사용하여 계산한다. These four QRS complex features (time domain) extract the desired features from the required time between 150 and 30 seconds before the onset of ventricular fibrillation. The QRS complex display area and R-peak amplitude are calculated using a feature known as electrocardiogram-guided respiratory (EDR) from the PhysioNet (PhysioNet, RRID: SCR_007345) Matlab toolbox.

심전도- 유도 호흡기의 방법은 R-피크 진폭의 변조 효과를 사용하며, 이는 심전도 신호에서 QRS 복합체 하의 표시영역을 처리하여 산출한다. 심전도 신호에서 P파와 Q파가 만나는 지점인 PQ 접합점에서 ST 세그먼트의 시작지점인 J점까지의 간격인 두 경계 사이에서 샘플의 가중치 합계를 사용하여 QRS 복합체 표시영역을 계산한다. The ECG-guided respiratory method uses the modulation effect of the R-peak amplitude, which is calculated by processing the display area under the QRS complex in the ECG signal. The display area of the QRS complex is calculated using the weighted sum of the samples between the two boundaries, which is the interval from the PQ junction, which is the point where P and Q waves meet in the ECG signal, to the J point, the starting point of the ST segment.

R-피크 진폭은 상기 두 경계 사이에서 최대 값을 갖는 샘플을 선택하여 계산하며, RR은 R-피크 대 R-피크 간격을 나타낸다. 이를 위해, 심실세동의 조기 예측을 위해 QRS 복합체 표시영역의 평균, 표준 편차 및 R-피크 진폭의 평균, 표준 편차로 구성되는 4개 QRS 복합체 특징이 사용된다.The R-peak amplitude is calculated by selecting the sample with the maximum value between the two boundaries, and RR represents the R-peak to R-peak interval. For this purpose, four QRS complex features consisting of the mean, standard deviation of the QRS complex display area, and the mean and standard deviation of the R-peak amplitude are used for early prediction of ventricular fibrillation.

아울러 도 3에서와 같이 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 4개소의 QRS 복합체 특징에 11개의 심박변이도의 특징을 더 포함하여 이루어지는데, 이러한 11개의 심박변이도의 특징은 연속적인 RR 간격(R-피크 대 R-피크 간격)으로 계산되며, 4개의 시간 도메인 특징과, 4개의 주파수 도메인 특징과, 3개의 푸엥카레 비선형 분석 특징으로 구성된다. In addition, as shown in FIG. 3 , in another embodiment of the present invention, the characteristics of 11 heart rate variability are further included in the QRS complex characteristics of the 4 places. versus R-peak interval), and consists of 4 time domain features, 4 frequency domain features, and 3 Poencare nonlinear analysis features.

이중 시간 도메인에서의 4개 특징은 (1)평균 RR 간격(평균 NN(RR)), (2)NN(RR) 간격의 표준 편차(SDNN), (3)연속 NN(RR) 간격의 평균 제곱 차의 제곱근(RMSSD) 및 (4)총 NN(RR) 간격에 의해 50ms 보다 큰 연속 NN(RR) 간격의 간격 차이 비율(pNN50)로서 아래 식 (1), (2), (3), (4)에 의해 각각 산출된다. The four features in the dual time domain are (1) mean RR intervals (mean NN(RR)), (2) standard deviation (SDNN) of NN(RR) intervals, and (3) mean squares of consecutive NN(RR) intervals. Equations (1), (2), (3), (1), (2), (3), ( 4) respectively.

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또한 주파수 도메인의 특징은 4개로서 우선 초저주파(VLF) 대역(0 ~ 0.04 Hz), 저주파(LF) 대역(0.04 ~ 0.15 Hz), 고주파수(HF) 대역(0.15 ~ 0.4 Hz)으로 이루어지는 3 가지 주파수 대역을 Hanning window(window 크기가 오버랩 50 %를 가지는 256 포인트)를 가지는 Welch의 주기도를 사용하여 계산된 각 대역의 파워 스펙트럼 밀도(PSD)로 3개가 산출되고, 이중 저주파 대역와 고주파 대역의 비율이 주파수 도메인의 마지막 특징으로 산출된다. In addition, the frequency domain has four characteristics, first of all, three types consisting of the very low frequency (VLF) band (0 to 0.04 Hz), the low frequency (LF) band (0.04 to 0.15 Hz), and the high frequency (HF) band (0.15 to 0.4 Hz). Three frequency bands are calculated as the power spectral density (PSD) of each band calculated using Welch's periodogram with a Hanning window (256 points with a window size of 50% overlap), and the ratio of the low frequency band and the high frequency band is It is calculated as the last feature in the frequency domain.

푸엥카레(Poincare) 비선형 분석 특징은 수직선의 포인트 및 동일 선의 축에 따른 포인트의 분산이다.

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에 의해 스케일링된 연속 RR 간격의 표준 편차(SD1) 및 동일 선의 축에 따른 포인트의 표준 편차(SD2)는 아래 식 (5) 및 (6)에 의해 산출되며, 나머지 1개의 특징은 SD1과 SD2의 비율(SD1/SD2)이다. A characteristic of the Poincare nonlinear analysis is the distribution of points along a vertical line and a point along the axis of the same line.
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The standard deviation of consecutive RR intervals scaled by (SD1) and the standard deviation of points along the axis of the same line (SD2) are calculated by the following equations (5) and (6), and the remaining one characteristic is that of SD1 and SD2. It is the ratio (SD1/SD2).

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Figure 112020107769590-pat00007

한편 4개의 QRS 복합체 특징은 QRS 복합체 형태(Shape)로부터 추출되는데, 이러한 QRS 복합체 형태는 산출된 표시영역과 R-피크로부터 Q, R 및 S 파를 포함하여 구성된다. Meanwhile, the four QRS complex features are extracted from the QRS complex shape, which is composed of Q, R and S waves from the calculated display area and R-peak.

이중 2개의 특징인 심전도의 QRS 복합체 표시영역과 R-피크 진폭에 대한 평균(QRSaM, RPampM)은 아래 식 (7)과 (8)를 사용하여 산출되며, 나머지 2개의 특징은 이들의 표준 편차(QRSaSD, RPampSD)로서 아래 식 (9)와 (10)을 사용하여 산출된다. The average (QRSaM, RPampM) of the QRS complex display area and R-peak amplitude of the ECG, two of these features, is calculated using equations (7) and (8) below, and the remaining two features are their standard deviation ( QRSaSD, RPampSD) is calculated using the following equations (9) and (10).

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이와 같이 본 발명의 일실시예에 따라 4개의 QRS 복합체 특징이 추출되거나(S30) 본 발명의 다른 실시예에 따라 11개의 심박변이도 특징과 4개의 QRS 복합체 특징이 추출되면(S30), 상기 추출된 특징들을 인공 신경망(ANN)으로 학습시키는 단계(S40)가 수행된다. As such, when four QRS complex features are extracted according to an embodiment of the present invention (S30) or 11 heart rate variability features and four QRS complex features are extracted according to another embodiment of the present invention (S30), the extracted A step S40 of learning the features with an artificial neural network (ANN) is performed.

인공 신경망(ANN)의 구조는 도 7에 도시된 바와 같이 문제에 대한 입력 변수를 나타내는 노드가 있는 입력 레이어, 데이터의 비선형성을 캡처하는데 도움이되는 노드가 포함된 히든 레이어, 종속 변수를 나타내는 노드를 가지는 출력 레이어의 3개 레이어로 구성된 완전히 연결된 네트워크 구조이다. The structure of an artificial neural network (ANN) is, as shown in Fig. 7, an input layer with nodes representing the input variables for the problem, a hidden layer with nodes that help capture the nonlinearity of the data, and nodes representing the dependent variables. It is a fully connected network structure consisting of three layers of an output layer with

입력 레이어 및 히든 레이어는 정류 선형 유닛(RELU) 활성화 기능을 사용했으며 출력 레이어는 시그모이드(sigmoid) 활성화 기능을 사용했다.The input layer and hidden layer used a rectified linear unit (RELU) activation function, and the output layer used a sigmoid activation function.

활성화 기능은 어느 뉴런이 활성화 또는 비활성화되어야 하는지 결정하며, 히든 레이어는 트라이얼과 에러과정에 의해 선택된 6개의 뉴런으로 구성된다. The activation function determines which neurons should be activated or deactivated, and the hidden layer consists of 6 neurons selected by trial and error processes.

본 발명에서는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 전 단계에서 심실세동 예측 파라미터로 추출된 4개의 QRS 복합체 형태 특징 또는 11개의 심박변이도 특징을 더한 15개의 특징 데이터를 입력 매개 변수로 하여 인공 신경망(ANN)으로 학습시키는 모델을 구현한다. 입력 매개 변수는 인공 신경망으로 학습되기 전 네트워크에서 원활하게 사용될 수 있도록 표준화 및 셔플 과정이 선행될 수 있다. In the present invention, as shown in FIGS. 2 and 3, the artificial neural network ( ANN) to implement the training model. The standardization and shuffling process may precede the input parameters so that they can be used smoothly in the network before they are learned by the artificial neural network.

이에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 4개의 QRS 복합체 형태 특징 데이터를 입력 매개 변수로 하여 학습시키는 인공 신경망(ANN) 모델과 11개의 심박변이도 특징 데이터를 더한 15개의 특징 데이터를 입력 매개 변수로 하여 학습시키는 인공 신경망(ANN) 모델을 비교함과 동시에 도 4에 도시된 11개의 심박변이도 특징만을 입력 매개 변수로 하여 학습시키는 모델을 비교예로 하여 각 모델별로 예측정확도에 대한 성능을 평가하였다. Accordingly, an artificial neural network (ANN) model that learns four QRS complex shape feature data according to an embodiment of the present invention as an input parameter and 15 feature data plus 11 heart rate variability feature data as input parameters. At the same time as comparing the artificial neural network (ANN) model to be trained, the performance of prediction accuracy for each model was evaluated by using the model trained using only the 11 heart rate variability features shown in FIG. 4 as an input parameter as a comparative example.

이와 같은 성능 평가를 위해 각 모델별로 10폴드 교차 검증으로 인공 신경망 모델을 10회 평가하였다. 10폴드 교차 검증에서 데이터 세트는 무작위로 약 10개 그룹으로 나누었다. 한 그룹은 테스트 데이터 세트로 선정되었으며 나머지 9개 그룹은 학습에 사용되었다. 교차 검증을 10회 반복 하여 각 모델의 평균과 표준 편차를 계산하고 예측 정확도를 추정했다. For this performance evaluation, the artificial neural network model was evaluated 10 times by 10-fold cross-validation for each model. In 10-fold cross-validation, the data set was randomly divided into approximately 10 groups. One group was selected as the test data set and the remaining nine groups were used for training. Cross-validation was repeated 10 times to calculate the mean and standard deviation of each model and estimate the prediction accuracy.

상기 세 모델 간의 통계적 차이를 관찰하기 위해, 다중 비교를 위해 Tukey 사후 분석으로 단방향 반복 측정 분산 분석을 수행했다. To observe statistical differences between the three models, one-way repeated measures analysis of variance was performed with Tukey's post hoc analysis for multiple comparisons.

아래 [표 2]는 컨트롤과 심실세동 데이터 세트 간의 심박변이도 특징 및 QRS 복합체 형태 특징의 평균 및 표준 편차를 비교 한 것이다.Table 2 below compares the mean and standard deviation of heart rate variability characteristics and QRS complex morphology characteristics between the control and ventricular fibrillation data sets.

Figure 112020107769590-pat00009
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SDNN, RMSSD, pNN50, LF, SD1, SD2, QRSaSD, QRsampM 및 QRSampSD의 15개 특징 중 9개는 통계적으로 유의미한 차이를 나타낸다(양측 t-검정, p<0.05).Nine out of 15 features of SDNN, RMSSD, pNN50, LF, SD1, SD2, QRSaSD, QRsampM and QRSampSD showed statistically significant differences (two-tailed t-test, p<0.05).

[표 3]은 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예에 따른 인공 신경망과 비교예에 따른 인공 신경망의 성능을 나타낸 것이다. [Table 3] shows the performance of the artificial neural network according to one embodiment and another embodiment of the present invention and the artificial neural network according to the comparative example.

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비교예는 11개 심박변이도 특징을 사용한 것으로 72%의 예측 정확도가 달성되었으며, 민감도와 특이도는 각각 65.68%와 98.44%이다. The comparative example used 11 heart rate variability characteristics, and a prediction accuracy of 72% was achieved, and the sensitivity and specificity were 65.68% and 98.44%, respectively.

이에 반해 본 발명의 일실시예에 따른 4개의 QRS 복합체 형태 특징을 사용한 모델은 예측 성능이 크게 향상되었음을 알 수 있는데, 정확도, 민감도 및 특이도는 각각 98.6%, 98.4% 및 99.04%이다. On the other hand, it can be seen that the model using the four QRS complex shape features according to an embodiment of the present invention has significantly improved prediction performance, and the accuracy, sensitivity, and specificity are 98.6%, 98.4%, and 99.04%, respectively.

아울러 본 발명의 다른 실시예 따른 QRS 복합체 표시영역 및 R-피크 진폭에서 추출된 4개의 특징과 11개의 심박변이도 특징을 조합한 모델은 예측 정확도가 99.83%로 미세하나 보다 개선되었음을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the model combining the 4 features extracted from the QRS complex display region and the R-peak amplitude and 11 heart rate variability features according to another embodiment of the present invention has a fine prediction accuracy of 99.83%, but it can be seen that it is improved.

이를 통해 심전도에서 추출된 QRS 복합체 형태 특성이 예측 성능 측면에서 심실세동이 발생하기 전에 예측하는 데 상당한 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.This suggests that the QRS complex morphological characteristics extracted from the electrocardiogram have a significant impact on predicting ventricular fibrillation before it occurs in terms of predictive performance.

도 8은 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예에 따른 두 개의 모델과 비교예에 따른 한 개의 모델에 대한 ROC(수신기 동작 특성)곡선을 나타내는 도면이며, 도 9는 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예 따른 두 개의 모델과 비교예에 따른 한 개의 모델에 대한 예측 정확도의 평균 및 표준 편차를 나타내는 도면이다. 8 is a view showing ROC (receiver operating characteristic) curves for two models according to an embodiment and another embodiment of the present invention and one model according to a comparative example, and FIG. 9 is an embodiment of the present invention and FIG. It is a diagram showing the average and standard deviation of prediction accuracy for two models according to another embodiment and one model according to a comparative example.

도면을 참조하면 비교예에서의 11개의 심박변이도 특징이 있는 인공 신경망은 가장 낮은 곡선 면적(AUC) 값(0.71)을 가지며, 본 발명의 일실시예에 따른 4개의 QRS 복합체 형태 특징을 사용한 경우 AUC는 0.99에 도달했다. 아울러 본 발명의 다른 실시예에 따른 심박변이도 특징과 QRS 복합체 형태 특징을 결합하여 사용한 경우는 AUC가 1로 향상되었다.Referring to the drawings, the artificial neural network with 11 heart rate variability characteristics in the comparative example has the lowest curve area (AUC) value (0.71), and AUC when using the 4 QRS complex form features according to an embodiment of the present invention reached 0.99. In addition, when the heart rate variability characteristic and the QRS complex shape characteristic according to another embodiment of the present invention were used in combination, the AUC was improved to 1.

아울러 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예에 따른 모델의 성능은 비교예와 통계적으로 유의미한 차이를 나타냈다(일원 분산 분석 : F (2,297) = 208.34, p <0.001). 사후 테스트 결과 비교예는 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예 보다 성능이 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있다(p <0.001). In addition, as shown in FIG. 9, the performance of the models according to one embodiment and another embodiment of the present invention showed a statistically significant difference from the comparative example (one-way ANOVA: F (2,297) = 208.34, p <0.001). As a result of the post-test, it can be seen that the comparative example has significantly lower performance than the one embodiment and the other embodiment of the present invention (p <0.001).

이와 같이 본 발명은 QRS 복합체 형태(QRS 복합체 표시영역 및 R-피크 진폭)에서 추출된 특징을 사용하여 심실세동 예측성능을 향상시킬 수 있음을 보여준다. As such, the present invention shows that the predictive performance of ventricular fibrillation can be improved by using the features extracted from the QRS complex form (QRS complex display region and R-peak amplitude).

[표 3]에 나타난 바와 같이 본 발명의 일실시예와 같은 QRS 복합체 표시영역과 R-피크 진폭의 4개 특징을 사용하는 경우 예측정확도가 98.6%를 달성하였고, 본 발명의 다른 실시예와 같은 심박변이도 및 QRS 복합체 형태 특징을 조합하여 사용하는 경우 99.83%의 최대 예측 정확도를 달성하였다.As shown in [Table 3], when using the four features of the QRS complex display area and R-peak amplitude as in one embodiment of the present invention, the prediction accuracy was 98.6%, and the same as in other embodiments of the present invention. A maximum prediction accuracy of 99.83% was achieved when the heart rate variability and QRS complex morphological features were used in combination.

하지만, 비교예에서와 같이 심박변이도 특징만을 사용하면 72%의 예측정확도로 성능이 크게 저하되었으며, 도 8의 ROC 곡선도 같은 추세를 보여준다.However, as in the comparative example, when only the heart rate variability feature was used, the performance was greatly reduced with a prediction accuracy of 72%, and the ROC curve of FIG. 8 shows the same trend.

[표 3]의 결과를 통해 QRS 형태 특징이 기존 심박변이도 특징보다 발생 전에 심실세동을 보다 정확하게 예측할 수 있음을 보여주며, 또한 QRS 형태와 심박변이도 특징의 조합을 이용하여 예측 개선이 거의 이루어지지 않았기 때문에, QRS 형태 특징은 심실세동 예측에 가장 크게 기여함을 알 수 있다. The results in [Table 3] show that the QRS shape feature can predict ventricular fibrillation more accurately before the onset than the existing heart rate variability feature. Therefore, it can be seen that the QRS morphology contributes the most to the prediction of ventricular fibrillation.

이와 같은 이유는 살펴 보면, 전술한 바와 같이 심전도의 QRS 복합체는 심실 탈분극 과정에 대한 정보를 포함하며, QRS 복합체가 생성되는 시간은 심실 탈분극을 완료하는 데 필요한 시간이고, QRS 진폭은 심실 탈분극에 소비되는 에너지에 비례한다. Looking at the reasons for this, as described above, the QRS complex of the electrocardiogram contains information about the ventricular depolarization process, the time the QRS complex is generated is the time required to complete the ventricular depolarization, and the QRS amplitude is consumed for the ventricular depolarization. proportional to the energy

따라서, 심실 조직의 전기적 특징이 변하지 않으면, QRS 형태는 짧은 시간 (수초 내지 수 시간) 내에 변하지 않는다. 심실 초점이나 다른 이유로 심실이 재진입 파를 만들기 시작할 때 심장 전파 패턴이 변경되기 시작한다(QRS 모양에 영향을 줄 수 있음).Therefore, if the electrical characteristics of the ventricular tissue do not change, the QRS morphology does not change within a short period of time (seconds to several hours). Cardiac propagation patterns begin to change (which can affect QRS shape) when the ventricles start making reentrant waves for ventricular focus or other reasons.

또한, 전파가 다르면 심실이 수축되는 방식도 달라 심전도의 원천인 심실 조직의 위치가 변경되며, 심실 조직의 위치 변화는 이를 반영하는 심전도에 영향을 미치게 되고, QRS 복합체 형태는 심실 근육의 탈분극(활성화)을 나타내며, 전기 활성화 특징의 이상이 심실세동의 조기 예측을 위해 추출될 수 있게 된다. In addition, different radio waves change the way the ventricles contract, so the location of the ventricular tissue, the source of the electrocardiogram, changes. ), and abnormalities in electrical activation characteristics can be extracted for early prediction of ventricular fibrillation.

본 발명은 이와 같은 심실세동 예측을 위한 QRS 복합 형태 특징의 중요성을 강조하며, [표 2]에 제시된 평균 및 표준 편차는 심실세동과 제어 데이터 세트의 특징 간의 비교를 보여준다. The present invention highlights the importance of QRS complex morphological features for predicting such ventricular fibrillation, and the mean and standard deviation presented in [Table 2] show a comparison between the features of the ventricular fibrillation and control data sets.

9개의 특징은 심실세동과 대조군 사이에 통계적으로 유의미한 차이가 있음을 알 수 있고(p <0.05), 이러한 특징을 사용하여 심실세동과 제어 그룹을 비교할 수 있다. 그러나 심실세동의 예측은 일부 매개 변수를 단순히 비교하는 것이 아니라 기계 학습 기술을 기반으로 모든 기능의 복잡한 패턴을 분류하여 달성할 수 있다. 따라서 인공 신경망 분류기를 사용하여 기능의 복잡한 패턴을 분류하며, 보다 나은 예측 정확도를 위해 인공 신경망 모델을 더 많은 데이터 세트를 사용하여 학습시킬 수 있다. It can be seen that the nine features have a statistically significant difference between ventricular fibrillation and the control group (p <0.05), and these features can be used to compare the ventricular fibrillation and control groups. However, prediction of ventricular fibrillation can be achieved by classifying complex patterns of all functions based on machine learning techniques, rather than simply comparing some parameters. Therefore, artificial neural network classifiers are used to classify complex patterns of features, and neural network models can be trained using larger datasets for better prediction accuracy.

한편 본 발명에서는 심실세동 예측을 위한 방법으로 설명되었으나, 예측서버와 심실세동 발생 여부를 확인하고자 하는 환자의 몸에 패치 형태의 심전도 측정장치가 각각 마련되어 상기 심전도 측정장치로부터 검출되는 심전도 신호를 예측서버로 전송하고, 예측서버에서는 이와 같은 심전도 신호를 분석하여 심실세동 예측이 이루어질 수 있다. Meanwhile, although the present invention has been described as a method for ventricular fibrillation prediction, a patch-type ECG measurement device is provided on the body of a patient who wants to check whether a prediction server and ventricular fibrillation have occurred, respectively, and the ECG signal detected from the ECG measurement device is predicted by the prediction server. , and the prediction server analyzes such an electrocardiogram signal to predict ventricular fibrillation.

또한 본 발명의 심실세동 예측방법은 세부 구성은 기록가능한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현되어, 결과적으로 웨어러블 전자장치의 형태로 구현될 수도 있다.In addition, the detailed configuration of the ventricular fibrillation prediction method of the present invention may be implemented as a computer program stored in a recordable medium, and consequently may be implemented in the form of a wearable electronic device.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. As described above, the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, which is merely exemplary, and those skilled in the art will appreciate that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. will understand

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (8)

QRS 복합체 형태 특징을 기반으로 하여 머신 러닝을 통한 심실세동 예측방법에 있어서,
예측서버는 심전도 측정장치로부터 검출되는 피험자의 심전도 신호를 예측서버로 전송받아 인공 신경망으로 학습하기 위한 피험자의 심전호 신호를 데이터베이스 저장하고, 상기 심전도 신호에서 심실세동 예측 파라미터에 따른 데이터들을 추출하는 단계;
상기 예측서버는 추출된 데이터들을 인공 신경망(ANN)으로 학습시키는 단계를 포함하며,
상기 심실세동 예측 파라미터는 복수의 QRS 복합체 특징과, 상기 심전도 신호에서 추출되는 복수의 심박변이도 특징을 더 포함하며,
상기 복수의 심박변이도 특징은 연속적인 R-피크 대 R-피크 간격(RR 간격)을 이용하여 계산되는 복수의 시간 도메인 특징들, 복수의 주파수 도메인 특징들, 복수의 푸엥카레 비선형 분석 특징들을 포함하며,
상기 복수의 QRS 복합체 특징은 4개의 QRS 복합체 특징이며, QRS 복합체 형태(Shape)로부터 추출되고,
상기 QRS 복합체 형태는 산출된 QRS 복합체 표시영역과 R-피크로부터 Q, R 및 S 파를 포함하여 구성되고,
상기 심실세동 예측 파라미터로 추출된 4개의 QRS 복합체 형태 특징 및 복수의 심박변이도 특징을 더한 특징 데이터를 입력 매개 변수로 하여 인공 신경망(ANN)으로 학습시키는 모델을 구현하여 상기 학습을 통하여 심실 세동을 예측하는 것을 특징으로 하는 QRS 복합체 형태 특징을 기반으로 하여 머신 러닝을 통한 심실세동 예측방법.
In the ventricular fibrillation prediction method through machine learning based on the QRS complex shape feature,
The prediction server receives the ECG signal of the subject detected from the ECG measurement device to the prediction server, stores the ECG signal of the subject for learning with an artificial neural network in a database, and extracts data according to the ventricular fibrillation prediction parameter from the ECG signal ;
The prediction server includes the step of learning the extracted data with an artificial neural network (ANN),
The ventricular fibrillation prediction parameter further comprises a plurality of QRS complex features and a plurality of heart rate variability features extracted from the electrocardiogram signal,
wherein the plurality of heart rate variability features include a plurality of time domain features, a plurality of frequency domain features, and a plurality of Poincare nonlinear analysis features calculated using successive R-peak to R-peak intervals (RR intervals); ,
The plurality of QRS complex features are four QRS complex features, extracted from the QRS complex shape,
The QRS complex form is composed of the calculated QRS complex display region and Q, R and S waves from the R-peak,
Implementing a model that trains with an artificial neural network (ANN) using the feature data that adds the four QRS complex shape features and the plurality of heart rate variability features extracted as the ventricular fibrillation prediction parameters as input parameters to predict ventricular fibrillation through the learning A method of predicting ventricular fibrillation through machine learning based on the QRS complex morphology, characterized in that
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 복수의 시간 도메인 특징들은 4개로, 각각 RR 간격의 평균(MeanNN으로 NN(RR)로 표기), NN(RR) 간격의 표준 편차(SDNN), 연속된 NN(RR) 간격의 평균 제곱 차의 제곱근(RMSSD) 및 총 NN(RR) 간격에 의해 50ms 보다 큰 연속 NN(RR) 간격의 간격 차이 비율(pNN50)로 구성되며, 아래 수식 (1)내지 (4)로 정의되는 것을 특징으로 하는 QRS 복합체 형태 특징을 기반으로 하여 머신 러닝을 통한 심실세동 예측방법.
Figure 112022010616529-pat00011

(여기서, RR(i)는 i번째 R-피크 대 R-피크 간 간격을 의미하며, i, N은 자연수)
The method of claim 1,
The plurality of time domain features are four, respectively, the mean of the RR intervals (represented as NN(RR) in MeanNN), the standard deviation (SDNN) of the NN(RR) intervals, and the mean square difference of consecutive NN(RR) intervals. QRS, characterized in that it consists of the interval difference ratio (pNN50) of successive NN(RR) intervals greater than 50 ms by the square root (RMSSD) and total NN(RR) intervals, and is defined by Equations (1) to (4) below. A method for predicting ventricular fibrillation through machine learning based on complex morphological features.
Figure 112022010616529-pat00011

(Here, RR(i) means the interval between the i-th R-peak and R-peak, and i and N are natural numbers)
제1항에 있어서,
상기 복수의 주파수 도메인 특징들은 4개로, 각각 초저주파(VLF) 대역(0 ~ 0.04 Hz), 저주파(LF) 대역(0.04 ~ 0.15 Hz), 고주파(HF) 대역(0.15 ~ 0.4 Hz)으로 이루어지는 3 가지 주파수 대역을 Hanning window(window 크기가 오버랩 50 %를 가지는 256 포인트)를 가지는 Welch의 주기도를 사용하여 계산된 각 주파수 대역의 파워 스펙트럼 밀도(PSD)와, 상기 저주파(LF) 대역과 상기 고주파(HF) 대역의 파워스펙트럼 밀도의 비율로 이루어지는 것을 특징으로 하는 QRS 복합체 형태 특징을 기반으로 하여 머신 러닝을 통한 심실세동 예측방법.
The method of claim 1,
The plurality of frequency domain features are four, each consisting of a very low frequency (VLF) band (0 to 0.04 Hz), a low frequency (LF) band (0.04 to 0.15 Hz), and a high frequency (HF) band (0.15 to 0.4 Hz). The power spectral density (PSD) of each frequency band calculated using Welch's periodogram with a Hanning window (256 points with a window size of 50% overlap), the low frequency (LF) band and the high frequency ( HF) A method for predicting ventricular fibrillation through machine learning based on the QRS complex shape feature, characterized in that it consists of a ratio of the power spectrum density of the band.
제1항에 있어서,
상기 복수의 푸엥카레 비선형 분석 특징들은 3개로, i번째 RR간격 수직선의 포인트 및 동일 선의 축에 따른 포인트의 분산이며, 연속 RR 간격의 표준 편차(SD1), 상기 동일 선의 축에 따른 포인트의 표준 편차(SD2), 및 상기 SD1과 SD2의 비율(SD1/SD2)로 구성되며, 아래 수식 (5) 내지 (6)로 정의되는 것을 특징으로 하는 QRS 복합체 형태 특징을 기반으로 하여 머신 러닝을 통한 심실세동 예측방법.
Figure 112022010616529-pat00012

(여기서, RR(i)는 i번째 R-피크 대 R-피크 간 간격을 의미하며, i는 자연수)
The method of claim 1,
The plurality of Poencare nonlinear analysis features are three, the i-th RR interval is the point of the vertical line and the variance of the point along the axis of the same line, the standard deviation of consecutive RR intervals (SD1), the standard deviation of the point along the axis of the same line (SD2), and the ratio of SD1 to SD2 (SD1/SD2), and based on the QRS complex form feature, characterized in that it is defined by Equations (5) to (6) below, ventricular fibrillation through machine learning Prediction method.
Figure 112022010616529-pat00012

(where RR(i) is the interval between the i-th R-peak and the R-peak, and i is a natural number)
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 4개의 QRS 복합체 특징은 QRS 복합체 표시영역과 R-피크 진폭의 평균((QRSaM, RPampM))들과 평균들의 표준 편차(QRSaSD, RPampSD)로 구성되며, 아래 수식 (7) 내지 (10)으로 정의되어 지는 것을 특징으로 하는 QRS 복합체 형태 특징을 기반으로 하여 머신 러닝을 통한 심실세동 예측방법.
Figure 112022010616529-pat00013

(여기서, N은 자연수)
The method of claim 1,
The four QRS complex features are composed of the QRS complex display area, the averages ((QRSaM, RPampM)) of the R-peak amplitudes, and the standard deviations (QRSaSD, RPampSD) of the means, as shown in Equations (7) to (10) below. A method for predicting ventricular fibrillation through machine learning based on the QRS complex morphological feature, characterized in that it is defined.
Figure 112022010616529-pat00013

(where N is a natural number)
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