KR102451623B1 - Method and Apparatus for Comparing Features of ECG Signal with Difference Sampling Frequency and Filter Methods for Real-Time Measurement - Google Patents

Method and Apparatus for Comparing Features of ECG Signal with Difference Sampling Frequency and Filter Methods for Real-Time Measurement Download PDF

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Abstract

Disclosed are a method and an apparatus for comparing the features of an electrocardiogram (ECG) signal by using different sampling frequencies and filter methods for real-time measurement. The method proposed in the present invention comprises the steps of: setting the parameters of a high-pass filter and a low-pass filter including the order and movement delay interval of a filter to remove the noise of an ECG signal; extracting an ECG signal by using a plurality of different sampling frequencies; and performing comparison and analysis on the extracted ECG signal with respect to the plurality of different sampling frequencies before and after the high-pass filter and the low-pass filter are applied to the extracted ECG signal. Therefore, the method can analyze important components of the ECG signal such as noise factors that affect a method for designing a signal and noise cancellation filter.

Description

실시간 측정을 위해 서로 다른 샘플링 주파수와 필터 기법을 이용한 심전도 신호의 특징 비교 방법 및 장치{Method and Apparatus for Comparing Features of ECG Signal with Difference Sampling Frequency and Filter Methods for Real-Time Measurement}Method and Apparatus for Comparing Features of ECG Signal with Difference Sampling Frequency and Filter Methods for Real-Time Measurement

본 발명은 실시간 측정을 위한 차이 샘플링 주파수와 필터 기법을 사용한 심전도 신호의 특징 비교 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for comparing characteristics of an ECG signal using a difference sampling frequency and a filter technique for real-time measurement.

WHO 통계에 따르면, 심혈관 질환을 가진 사람, 특히 노인의 수가 증가하고 있다[1]. 따라서 심혈관 문제에 대한 모니터링이 더욱 중요해지고 있다[2-4]. 심전도는 다양한 질병을 검사하고 진단할 때 흔히 사용되는 비침습 측정 방법이다[5-8]. 상태 모니터링 및 진단에 있어 중요한 응용 중 하나이며[9, 10], 뇌졸중 진단을 뒷받침하는 필수적인 정보 중 하나이다. 이러한 심전도 모니터링은 뇌졸중의 원인을 조기에 감지하고 식별하는 데 도움이 된다[11]. 심전도 신호의 품질은 진단 결과에 직접적인 역할을 한다[12]. 심전도 신호의 성분에는 Q, R, S 및 T 부분이 포함된다[13]. 여기서 R 피크가 환자의 심장 박동수 계산에 필수적인 역할을 한다[9]. 이와 같이, 심전도 신호의 성분을 구분하면 더 유용한 정보를 얻을 수 있다[14].According to WHO statistics, the number of people with cardiovascular disease, especially the elderly, is increasing [1]. Therefore, monitoring of cardiovascular problems is becoming more important [2-4]. Electrocardiography is a non-invasive measurement method commonly used for screening and diagnosing various diseases [5-8]. It is one of the important applications in condition monitoring and diagnosis [9, 10], and is one of the essential information to support stroke diagnosis. Such ECG monitoring helps to detect and identify the cause of stroke at an early stage [11]. The quality of the ECG signal plays a direct role in the diagnosis [12]. Components of the ECG signal include Q, R, S, and T parts [13]. Here, the R peak plays an essential role in calculating the patient's heart rate [9]. In this way, more useful information can be obtained by classifying the components of the ECG signal [14].

일반적으로 심전도 기록은 환자의 몸에 전극을 부착하여 이루어지며, 장치는 이러한 전극으로부터 전기 신호를 수신한다[15]. 따라서 전극과 사용자 피부 사이의 접촉은 획득된 심전도 신호의 품질에 직접적인 영향을 미친다. 또한 사용자가 교류(Alternating Current; AC) 전력을 사용하는 장비 근처에 있을 때 인체는 전력망으로부터의 간섭에 의한 영향을 받는다[16-18]. 이러한 간섭은 지역에 따라 50/60Hz 그리드 주파수와 동일한 주파수를 가진다[19]. 이는 수신된 심전도 신호의 품질에 직접적인 영향을 미치는 두 가지 유형의 노이즈이다. 따라서, 이러한 두 가지 유형의 간섭을 제거할 필요가 있다[20-22]. 노이즈 제거 방법에는 하드웨어에서 설계된 아날로그 필터와 소프트웨어에서 설계된 디지털 필터의 두 가지가 있다. 아날로그 필터는 3가지 기본 요소 저항(Resistor; R), 인덕터(Inductor; L), 캐패시터(Capacitor; C)로 구성되며 고정 파라미터가 있다[15, 23]. 디지털 필터는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)의 컴퓨팅 성능을 기반으로 설계되므로 파라미터를 보다 유연하게 변경할 수 있다[24]. 심전도 신호에서 두 가지 유형의 노이즈를 완전히 제거하려면 로우패스(Low-Pass; LP) 및 하이패스(High-Pass; HP) 필터를 모두 설계해야 한다[25]. 따라서, 필터 설계 방법의 선택은 신호 품질에 필수적인 역할을 한다[16, 22]. 최근에는 자동 인코더를 사용하는 적응형 필터나 머신러닝 기반 필터와 같은 전용 필터 아키텍처가 제안되었다[26-28]. In general, ECG recording is made by attaching electrodes to the patient's body, and the device receives electrical signals from these electrodes [15]. Therefore, the contact between the electrode and the user's skin directly affects the quality of the acquired ECG signal. Also, when a user is near equipment that uses alternating current (AC) power, the human body is affected by interference from the power grid [16-18]. This interference has the same frequency as the 50/60 Hz grid frequency depending on the region [19]. These are two types of noise that directly affect the quality of the received ECG signal. Therefore, it is necessary to eliminate these two types of interference [20-22]. There are two methods of noise removal: an analog filter designed in hardware and a digital filter designed in software. The analog filter consists of three basic elements, a resistor (R), an inductor (L), and a capacitor (C), and has fixed parameters [15, 23]. Since digital filters are designed based on the computing power of the central processing unit (CPU), parameters can be changed more flexibly [24]. In order to completely remove both types of noise from the ECG signal, both low-pass (LP) and high-pass (HP) filters need to be designed [25]. Therefore, the choice of filter design method plays an essential role in signal quality [16, 22]. Recently, dedicated filter architectures such as adaptive filters using autoencoders or machine learning-based filters have been proposed [26-28].

첨단 반도체 기술과 더불어 TI, Maxim Integrated, Analog Devices와 같은 생물학적 유도를 제공하는 주요 제조업체의 전자파 구성요소가 다수 존재해 왔으며, 이러한 구성요소의 보다 작고 정확한 형태는 웨어러블 기기의 설계를 더욱 빠르고 용이하게 한다[3, 24, 29, 30]. 또한, 간소화된 설계 프로세스는 상용 제품 출시 프로세스를 가속화한다[31, 32]. Along with advanced semiconductor technology, there have been many electromagnetic components from major manufacturers that provide biological induction, such as TI, Maxim Integrated, and Analog Devices, and the smaller and more precise form of these components makes the design of wearable devices faster and easier. [3, 24, 29, 30]. In addition, the streamlined design process accelerates the commercial product launch process [31, 32].

이러한 바이오 센서는 일반적으로 가변 샘플링 주파수를 가진다[33]. 심전도 신호의 경우 샘플링 주파수가 높을수록 신호가 더 정확하고 그 반대도 마찬가지이다. 그러나 높은 샘플링 빈도로 인해 데이터를 계산하기 어려운 광범위한 데이터베이스가 생성될 수 있다. BIT/MIH 데이터베이스의 샘플링 주파수는 360Hz이다[34]. TI의 센서 ADS1293의 샘플링 주파수는 최대 2133Hz[35]이고, Maxim Integrated의 센서 MAX86150의 주파수는 3200Hz [36]이며, Analog Devices(ADAS1000)의 샘플링 주파수는 8000Hz이다. 따라서 서로 다른 샘플링 주파수에서 심전도 신호를 조사하면 수집할 데이터의 양을 줄이면서도 신호의 정확성을 보장하는 데 중요한 역할을 한다. 웨어러블 기기의 기본 구조는 바이오 센서, 시스템 온 칩(Microcontroller Unit; MCU), 블루투스, 와이파이, 배터리 관리부 등이다[33, 37-39]. 대부분의 심전도 웨어러블 기기는 배터리를 사용하기 때문에 데이터 컴퓨팅 양을 줄이는 것도 에너지 소비를 절약하고 사용 시간을 연장하는 효과적인 방법이다[24, 33].These biosensors generally have variable sampling frequencies [33]. For ECG signals, the higher the sampling frequency, the more accurate the signal and vice versa. However, the high sampling frequency can result in extensive databases that are difficult to compute data. The sampling frequency of the BIT/MIH database is 360 Hz [34]. The sampling frequency of the sensor ADS1293 from TI is up to 2133 Hz [35], the frequency of the sensor MAX86150 from Maxim Integrated is 3200 Hz [36], and the sampling frequency of Analog Devices (ADAS1000) is 8000 Hz. Therefore, irradiation of ECG signals at different sampling frequencies plays an important role in ensuring signal accuracy while reducing the amount of data to be collected. The basic structure of a wearable device is a biosensor, a microcontroller unit (MCU), Bluetooth, Wi-Fi, and a battery management unit [33, 37-39]. Since most ECG wearable devices use batteries, reducing the amount of data computing is also an effective way to save energy consumption and extend usage time [24, 33].

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 신호와 노이즈 제거 필터를 설계하는 방법에 영향을 미치는 노이즈 요인과 같은 심전도 신호의 중요한 성분을 분석하기 위한 방법 및 장치를 제공하는데 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 서로 다른 샘플링 주파수로 BIT/MIH 데이터베이스의 심전도 신호를 분석하고, 수신된 신호의 차이를 비교하기 위해 필터를 적용한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 실시간 신호를 수집하기 위해 대량 생산 요소를 기반으로 한 심전도 신호 획득 모델을 제안하며, 또한 장치의 서로 다른 샘플링 주파수로 노이즈를 제거하기 위한 필터를 적용하여, 파라미터를 비교 분석하고자 한다.An object of the present invention is to provide a method and apparatus for analyzing important components of an electrocardiogram signal, such as a noise factor affecting a signal and a method of designing a noise removal filter. According to an embodiment of the present invention, an electrocardiogram signal of a BIT/MIH database is analyzed at different sampling frequencies, and a filter is applied to compare the difference between the received signals. According to an embodiment of the present invention, an ECG signal acquisition model based on mass production factors is proposed to collect real-time signals, and filters are applied to remove noise with different sampling frequencies of the device, and parameters are compared. I want to analyze

일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 실시간 측정을 위해 서로 다른 샘플링 주파수와 필터 기법을 이용한 심전도 신호의 특징 비교 방법은 심전도 신호의 노이즈를 제거하기 위한 필터의 차수 및 이동 지연 간격을 포함하는 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터의 파라미터를 설정하는 단계, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 심전도 신호를 추출하는 단계 및 상기 추출된 심전도 신호에 대해 상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 관하여 비교 분석하는 단계를 포함한다. In one aspect, the method for comparing the characteristics of an ECG signal using different sampling frequencies and filter techniques for real-time measurement proposed by the present invention is a high-pass including a filter order and a movement delay interval for removing noise from the ECG signal. Before and after the steps of setting parameters of a filter and a low-pass filter, extracting an ECG signal using a plurality of different sampling frequencies, and applying the high-pass filter and the low-pass filter to the extracted ECG signal, and the and comparing and analyzing a plurality of different sampling frequencies.

상기 심전도 신호의 노이즈를 제거하기 위한 필터의 차수 및 이동 지연 간격을 포함하는 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터의 파라미터를 설정하는 단계는 무한 임펄스 응답(Infinite Impulse Response; IIR) 필터와 대칭 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response; FIR) 필터에 관한 파라미터를 각각 설정하고, 상기 대칭 유한 임펄스 응답 필터는 계수가 홀수인 경우 정수 지연을 갖고, 상기 무한 임펄스 응답 필터의 차수는 상기 대칭 유한 임펄스 응답 필터의 계수보다 작게 설정하며, 고역 통과 필터에는 무한 임펄스 응답 필터만을 적용한다. The step of setting the parameters of the high-pass filter and the low-pass filter including the order of the filter for removing the noise of the ECG signal and the movement delay interval is an Infinite Impulse Response (IIR) filter and a symmetrical finite impulse response ( Finite Impulse Response (FIR) filter parameters are set respectively, and the symmetric finite impulse response filter has an integer delay when the coefficient is odd, and the order of the infinite impulse response filter is smaller than the coefficient of the symmetric finite impulse response filter. set, and only the infinite impulse response filter is applied to the high-pass filter.

상기 복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 심전도 신호를 추출하는 단계는 BIT/MIH 데이터베이스에서의 샘플링 주파수로 추출된 심전도 신호에 관한 데이터를 원본 데이터로 생성하고, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 추출된 심전도 신호에 관한 데이터를 MIT/BIT 데이터베이스에서 비교 데이터로서 생성한다. In the step of extracting the ECG signal using the plurality of different sampling frequencies, data about the ECG signal extracted with the sampling frequency in the BIT/MIH database is generated as original data, and extracted using the plurality of different sampling frequencies. Data on the acquired ECG signal is generated as comparison data in the MIT/BIT database.

상기 추출된 심전도 신호에 대해 상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 관하여 비교 분석하는 단계는 상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 원본 데이터와 상기 비교 데이터를 비교하는 기준에는 신호 대 노이즈 비율을 포함하고, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 대한 심전도 신호의 P파, QRS파, T파의 진폭을 비교한다. Before and after applying the high-pass filter and the low-pass filter to the extracted electrocardiogram signal, and the step of comparatively analyzing the plurality of different sampling frequencies before and after applying the high-pass filter and the low-pass filter, and the A criterion for comparing the original data and the comparison data includes a signal-to-noise ratio, and compares the amplitudes of the P-wave, QRS-wave, and T-wave of the ECG signal with respect to a plurality of different sampling frequencies.

또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 실시간 측정을 위해 서로 다른 샘플링 주파수와 필터 기법을 이용한 심전도 신호의 특징 비교 장치는 심전도 신호의 노이즈를 제거하기 위한 필터의 차수 및 이동 지연 간격을 포함하는 피라미터를 설정하여 적용된 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 포함하는 필터링부, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 심전도 신호를 추출하는 샘플링부 및 상기 추출된 심전도 신호에 대해 상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 관하여 비교 분석하는 분석부를 포함한다. In another aspect, the apparatus for comparing the characteristics of the ECG signal using different sampling frequencies and filter techniques for real-time measurement proposed by the present invention includes the order and movement delay interval of the filter for removing the noise of the ECG signal. A filtering unit including a high-pass filter and a low-pass filter applied by setting parameters, a sampling unit for extracting an ECG signal using a plurality of different sampling frequencies, and the high-pass filter and low-pass filter for the extracted ECG signal and an analysis unit that compares and analyzes the plurality of different sampling frequencies before and after applying the filter.

본 발명의 실시예들에 따르면 신호와 노이즈 제거 필터를 설계하는 방법에 영향을 미치는 노이즈 요인과 같은 심전도 신호의 중요한 성분을 분석할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 필터를 적용하여, 서로 다른 샘플링 주파수로 BIT/MIH 데이터베이스의 심전도 신호를 분석하고, 수신된 신호의 차이를 비교할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 실시간 신호를 수집하기 위한 대량 생산 요소를 기반으로 하는 심전도 신호 획득 모델을 통해 서로 다른 샘플링 주파수로 노이즈를 제거하기 위한 필터를 적용하여, 파라미터를 비교 분석할 수 있다. According to embodiments of the present invention, it is possible to analyze important components of an electrocardiogram signal, such as a noise factor affecting a signal and a method of designing a noise removal filter. By applying the filter according to an embodiment of the present invention, it is possible to analyze the electrocardiogram signal of the BIT/MIH database at different sampling frequencies, and compare the difference between the received signals. Through the ECG signal acquisition model based on mass production factors for collecting real-time signals according to an embodiment of the present invention, filters for removing noise at different sampling frequencies may be applied, and parameters may be compared and analyzed.

도 1은 종래기술에 따른 심전도 신호 성분을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 측정을 위해 서로 다른 샘플링 주파수와 필터 기법을 이용한 심전도 신호의 특징 비교 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 측정을 위해 서로 다른 샘플링 주파수와 필터 기법을 이용한 심전도 신호의 특징 비교 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터링부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 낮은 샘플링 주파수를 갖는 심전도 신호 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 P, QRS, T파 검출을 위한 서로 다른 샘플링 주파수를 갖는 심전도 신호 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 도메인에서의 심전도 신호 및 필터링된 심전도 신호를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 심전도 신호 측정 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 도메인에서의 필터링 전과 후의 서로 다른 샘플링 주파수를 갖는 심전도 신호를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시간 도메인에서의 필터링 전과 후의 서로 다른 샘플링 주파수를 갖는 심전도 신호를 나타내는 그래프이다.
1 is a view for explaining an electrocardiogram signal component according to the prior art.
2 is a flowchart illustrating a method for comparing characteristics of an ECG signal using different sampling frequencies and filter techniques for real-time measurement according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a configuration of an apparatus for comparing characteristics of an ECG signal using different sampling frequencies and filter techniques for real-time measurement according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining the configuration of a filtering unit according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph comparing ECG signals having different low sampling frequencies according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph comparing ECG signals having different sampling frequencies for P, QRS, and T wave detection according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph illustrating an ECG signal and a filtered ECG signal in a time domain according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram showing the configuration of a real-time ECG signal measurement system according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph illustrating an electrocardiogram signal having different sampling frequencies before and after filtering in the time domain according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph illustrating an electrocardiogram signal having different sampling frequencies before and after filtering in the time domain according to another embodiment of the present invention.

심전도(Electrocardiogram; ECG) 신호는 심혈관 질환의 징후와 인체에 대한 이상 신호를 모니터링하고 진단하는 데 사용되어 왔다. 심전도 신호는 일반적으로 PR, QRS, QT 간격, ST-세그먼트 및 심박수(Heart Rate; HR) 파라미터로 특징지어진다. 심전도 장치는 많은 응용, 특히 노인들에게 널리 사용된다. 그러나 심전도 신호는 환경의 노이즈에 의해 영향을 받는 경우가 많다. 심전도 신호에 영향을 미치는 노이즈에는 근육 활동에서 발생하는 저주파수와 전기 그리드에서 발생하는 50/60Hz의 두 가지 유형이 있다. 이러한 노이즈를 제거하는 것은 심전도 신호의 품질을 향상시키는 데 중요하다. 노이즈를 제거하여 심전도 신호가 선명해지면 심혈관 질환을 쉽게 진단할 수 있다. 샘플링 주파수가 높은 심전도 신호가 더 정확하다. 그러나 신호상에서 필터로 이러한 노이즈를 제거하는 것은 더 명확하고 어렵다. 따라서, 신호의 샘플링 주파수와 신호 대 노이즈 비율(Signal to Noise Ratio; SNR), 신호 진폭 등 신호의 파라미터 간의 대칭 상관 관계의 분석이 필요하다. Electrocardiogram (ECG) signals have been used to monitor and diagnose signs of cardiovascular disease and abnormal signals in the human body. The ECG signal is typically characterized by PR, QRS, QT interval, ST-segment and Heart Rate (HR) parameters. Electrocardiogram devices are widely used in many applications, especially in the elderly. However, the ECG signal is often affected by environmental noise. There are two types of noise that affect the ECG signal: low frequencies, which originate from muscle activity, and 50/60 Hz, which originates from the electrical grid. Removal of these noises is important for improving the quality of the ECG signal. If the ECG signal is clear by removing the noise, cardiovascular disease can be easily diagnosed. ECG signals with a higher sampling frequency are more accurate. However, it is clearer and more difficult to remove this noise with a filter on the signal. Therefore, it is necessary to analyze the symmetrical correlation between the signal sampling frequency, signal to noise ratio (SNR), and signal parameters such as signal amplitude.

본 발명에서는 설계 복잡성을 줄이기 위해 간단한 필터 위상을 활용하여 원하지 않는 심전도 노이즈를 필터링했다. 본 발명에서는 무한 임펄스 응답(Infinite Impulse Response; IIR) 필터와 대칭 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response; FIR) 필터를 적용하기 전, 후에 서로 다른 샘플링 주파수에서 수행되는 심전도 신호의 특성화 평가를 비교한다. 따라서 정확한 진단을 위해서는 샘플링 주파수가 심전도 신호의 동일한 주파수로 일관되어야 한다. 또한, 장치의 컴퓨팅 성능과 하드웨어 리소스를 줄이는 데 도움이 되는 접근 방식도 중요할 수 있다. In the present invention, undesired ECG noise is filtered by using a simple filter phase to reduce design complexity. In the present invention, characterization evaluation of electrocardiogram signals performed at different sampling frequencies before and after applying an infinite impulse response (IIR) filter and a symmetric finite impulse response (FIR) filter is compared. Therefore, for accurate diagnosis, the sampling frequency must be consistent with the same frequency of the ECG signal. In addition, approaches that help reduce the computing power and hardware resources of the device can also be important.

본 발명의 실시예에 따른 결과는 11비트 해상도로 360Hz 샘플링 주파수에서 MIT/BIH 데이터베이스를 사용하여 테스트되었다. 또한, 24비트 해상도를 갖는 100Hz~2133Hz의 샘플링 주파수로 실시간으로 작동하는 장치를 실험하였다. 본 발명의 실시예에 따른 테스트 결과는 심전도 신호 필터링에 적용할 때 IIR에 비해 대칭 FIR 필터의 장점을 보여준다. 따라서 제안하는 방법 및 장치를 적용하여 심전도 신호의 품질을 향상시킬 수 있다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Results according to an embodiment of the present invention were tested using the MIT/BIH database at a sampling frequency of 360 Hz with 11-bit resolution. In addition, a device operating in real time with a sampling frequency of 100 Hz to 2133 Hz with 24-bit resolution was tested. The test results according to the embodiment of the present invention show the advantages of the symmetric FIR filter compared to the IIR when applied to the electrocardiogram signal filtering. Therefore, the quality of the ECG signal can be improved by applying the proposed method and apparatus. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

일반적으로 샘플링 주파수와 신호 품질 사이에는 상관관계가 있다. 샘플링 주파수가 높을수록 신호의 성분이 더욱 신뢰도가 높아진다. 그러나 심전도 신호 파라미터는 심박수(예를 들어, 60-150 beats/min) 및 P, QRS, T 파 진폭으로 간주해야 한다. 본 발명에서는 복수의 서로 다른 주파수로 심전도 신호의 비대칭을 분석하여 결론을 도출했다. 노이즈 요인은 신호와 노이즈 제거 필터를 설계하는 방법에 영향을 미친다. 본 발명에서는 이러한 심전도 신호의 중요한 성분을 분석한다. In general, there is a correlation between sampling frequency and signal quality. The higher the sampling frequency, the more reliable the components of the signal. However, ECG signal parameters should be considered as heart rate (eg 60-150 beats/min) and P, QRS, and T wave amplitudes. In the present invention, a conclusion was drawn by analyzing the asymmetry of the ECG signal at a plurality of different frequencies. The noise factor affects the signal and how the denoising filter is designed. In the present invention, important components of such an electrocardiogram signal are analyzed.

본 발명의 실시예에 따르면, 서로 다른 샘플링 주파수로 BIT/MIH 데이터베이스의 심전도 신호를 분석하고, 수신된 신호의 차이를 비교하기 위해 필터를 적용한다.According to an embodiment of the present invention, an electrocardiogram signal of a BIT/MIH database is analyzed at different sampling frequencies, and a filter is applied to compare the difference between the received signals.

본 발명의 실시예에 따르면, 실시간 신호를 수집하기 위해 대량 생산 요소를 기반으로 한 심전도 신호 획득 모델을 제안한다. 또한 장치의 서로 다른 샘플링 주파수로 노이즈를 제거하기 위한 필터를 적용하고, 파라미터를 비교 분석한다.According to an embodiment of the present invention, an ECG signal acquisition model based on mass production factors is proposed to collect real-time signals. In addition, filters are applied to remove noise at different sampling frequencies of the device, and parameters are compared and analyzed.

도 1은 종래기술에 따른 심전도 신호 성분을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining an electrocardiogram signal component according to the prior art.

도 1은 P 파, QRS 복합파, T 파가 포함된 일반적인 심전도 신호를 도시한다[40]. P파는 양쪽 심장의 근육 활성화에 의해 발생한다. 좌-우 심실 활성화는 QRS 복합파를 생성한다. 마지막으로, 심실 근육의 활성화는 T파를 발생시킨다. 따라서 P, QRS, T 파는 유용한 정보를 많이 전달하기 때문에 관찰하고 평가해야 하는 필수 요소이다[13, 41].Figure 1 shows a typical electrocardiogram signal including a P wave, a QRS complex wave, and a T wave [40]. P waves are caused by muscle activation in both hearts. Left-right ventricular activation produces a QRS complex wave. Finally, activation of the ventricular muscle generates T waves. Therefore, P, QRS, and T waves are essential elements to be observed and evaluated because they convey a lot of useful information [13, 41].

종래기술에 따르면, 심전도 P-QRS-T 세그먼트와 P-QRS-T 파의 형상 특징을 분석하여 부정맥을 식별할 수 있다[2]. 또 다른 종래기술에서는 9개의 부정맥을 분류하기 위해 제안된 가장 일반적인 12개의 전기심전도 리드를 기반으로 한 새로운 신경망 구조를 사용했다[5]. 또 다른 종래기술에서는 시간 독립적인 QRS 검출 방법을 사용했다[10]. 그래프 데이터 표현을 적용하고 정확한 P, QRS, T파 구분점을 찾아 이질적인 시간 척도 변환을 적용했다. 또 다른 종래기술에서는 가우시안 및 레일리 함수의 수학적 모델을 사용하여 심전도에서의 P 및 T 파형의 모델링과 분할을 비교했다[13]. RMS(Root Mean Square)는 각 모델과 각 특징 파형 사이의 적합성을 평가했다. 이 밖에도 종래기술에서는 파동 변환을 적용해 P파와 T파를 추정했다. 또 다른 종래기술에서는 하드웨어와 소프트웨어를 포함한 심전도 신호 획득 시스템의 구조에 대한 연구를 개시했다[24]. 여기서, 소프트웨어와 관련한 노이즈 감소, 머신 러닝, 사생활 보호와 같은 요소들을 분석한다. 그 결과, 심전도 신호의 구성요소에 대한 세부 정보를 제공하였다.According to the prior art, an arrhythmia can be identified by analyzing the shape characteristics of the electrocardiogram P-QRS-T segment and P-QRS-T wave [2]. Another prior art used a novel neural network structure based on the 12 most common electrocardiogram leads proposed to classify 9 arrhythmias [5]. Another prior art used a time-independent QRS detection method [10]. Graph data representation was applied, and a heterogeneous time scale transformation was applied to find the exact P, QRS, and T wave breakpoints. Another prior art compared modeling and segmentation of P and T waveforms in electrocardiograms using mathematical models of Gaussian and Rayleigh functions [13]. Root mean square (RMS) evaluated the fit between each model and each feature waveform. In addition, in the prior art, wave transformation was applied to estimate P-wave and T-wave. In another prior art, a study on the structure of an ECG signal acquisition system including hardware and software was initiated [24]. Here, factors such as noise reduction, machine learning, and privacy protection related to software are analyzed. As a result, detailed information about the components of the ECG signal was provided.

이러한 종래기술들 중 심전도 신호의 샘플 주파수와 신호의 품질을 분석하는 데 초점을 맞춘 기술은 없었다. 따라서 본 발명에서는 심전도 신호 획득 및 분석과 관련된 새로운 방안을 제안한다. Among these prior art techniques, there is no technique focused on analyzing the sample frequency and signal quality of the ECG signal. Therefore, the present invention proposes a new method related to ECG signal acquisition and analysis.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 측정을 위해 서로 다른 샘플링 주파수와 필터 기법을 이용한 심전도 신호의 특징 비교 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 2 is a flowchart illustrating a method for comparing characteristics of an ECG signal using different sampling frequencies and filter techniques for real-time measurement according to an embodiment of the present invention.

제안하는 실시간 측정을 위해 서로 다른 샘플링 주파수와 필터 기법을 이용한 심전도 신호의 특징 비교 방법은 심전도 신호의 노이즈를 제거하기 위한 필터의 차수 및 이동 지연 간격을 포함하는 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터의 파라미터를 설정하는 단계(210), 복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 심전도 신호를 추출하는 단계(220) 및 상기 추출된 심전도 신호에 대해 상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 관하여 비교 분석하는 단계(230)를 포함한다. The proposed method for comparing the characteristics of the ECG signal using different sampling frequencies and filter techniques for real-time measurement is to measure the parameters of the high-pass filter and low-pass filter, including the order and movement delay interval of the filter to remove the noise of the ECG signal. Before and after the setting step 210, extracting an electrocardiogram signal using a plurality of different sampling frequencies 220, and applying the high-pass filter and the low-pass filter to the extracted electrocardiogram signal, and the plurality of and comparing and analyzing (230) different sampling frequencies.

단계(210)에서, 심전도 신호의 노이즈를 제거하기 위한 필터의 차수 및 이동 지연 간격을 포함하는 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터의 파라미터를 설정한다. In step 210, parameters of the high-pass filter and the low-pass filter including the order of the filter for removing noise from the ECG signal and the movement delay interval are set.

본 발명의 실시예에 따른 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터는 무한 임펄스 응답(Infinite Impulse Response; IIR) 필터 또는 대칭 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response; FIR) 필터를 포함한다. 단계(210)에서, IIR 필터와 대칭 FIR 필터에 관한 파라미터를 각각 설정한다. 상기 대칭 FIR 필터의 특징은 항상 안정적이고 신호가 왜곡되지 않는다는 점이다. 그러나 대칭 FIR은 상당한 연산량을 가지고 있으므로 의도된 용도에 맞게 적절히 선택해야 한다. 또한 계수가 홀수인 대칭 FIR 필터는 정수 지연을 가진다. 상기 IIR 필터의 차수는 상기 대칭 FIR 필터의 계수보다 작게 설정하며, IIR 필터를 통과한 신호는 왜곡되기 때문에 안정성을 보장할 수 있도록 설계되어야 한다. The high-pass filter and the low-pass filter according to an embodiment of the present invention include an Infinite Impulse Response (IIR) filter or a symmetric Finite Impulse Response (FIR) filter. In step 210, parameters for the IIR filter and the symmetric FIR filter are respectively set. A characteristic of the symmetric FIR filter is that it is always stable and the signal is not distorted. However, symmetric FIR has a significant amount of computation, so it must be appropriately selected for its intended use. Also, a symmetric FIR filter with odd coefficients has an integer delay. The order of the IIR filter is set to be smaller than the coefficient of the symmetric FIR filter, and since the signal passing through the IIR filter is distorted, it should be designed to ensure stability.

본 발명의 실시예에 따른 고역 통과 필터에는 무한 임펄스 응답 필터만을 적용한다. FIR 필터에는 전용 계산이 필요하다. 따라서 고역 통과 필터에 FIR 필터를 적용하는 것은 적절하지 않다. 따라서 본 발명에서는 고역 통과 필터에 IIR 필터만 사용한다. Only the infinite impulse response filter is applied to the high-pass filter according to the embodiment of the present invention. FIR filters require dedicated calculations. Therefore, it is not appropriate to apply the FIR filter to the high-pass filter. Therefore, in the present invention, only the IIR filter is used for the high-pass filter.

저역 통과 필터의 목적은 전원 라인에서 다양한 고조파 및 접지 바운싱 노이즈를 제거하는 것이다. 노이즈 주파수는 시스템의 전력 공급 네트워크에 따라 50/60Hz인 전력 그리드의 주파수와 동일하다. 본 발명의 실시예에 따른 저역 통과 필터에는 IIR 필터와 대칭 FIR 필터의 조합이 포함된다. The purpose of the low-pass filter is to remove various harmonics and ground-bouncing noise from the power line. The noise frequency is equal to the frequency of the power grid, which is 50/60 Hz, depending on the system's power supply network. The low-pass filter according to an embodiment of the present invention includes a combination of an IIR filter and a symmetric FIR filter.

단계(220)에서, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 심전도 신호를 추출한다. In step 220, an electrocardiogram signal is extracted using a plurality of different sampling frequencies.

먼저, BIT/MIH 데이터베이스에서의 샘플링 주파수로 추출된 심전도 신호에 관한 데이터를 원본 데이터로 생성하고, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 추출된 심전도 신호에 관한 데이터를 MIT/BIT 데이터베이스에서 비교 데이터로서 생성한다. BIT/MIH 데이터베이스 데이터의 샘플링 주파수는 360Hz이고, 본 발명의 실시예에 따른 복수의 서로 다른 샘플링 주파수는 30, 45, 72, 90, 120, 180 Hz를 포함할 수 있다. 이러한 복수의 서로 다른 샘플링 주파수는 일 실시예일뿐 이에 한정되지 않고 다양한 주파수를 적용할 수 있다. First, the data on the ECG signal extracted with the sampling frequency in the BIT/MIH database is generated as original data, and the data on the ECG signal extracted using a plurality of different sampling frequencies are compared in the MIT/BIT database as data. create The sampling frequency of the BIT/MIH database data is 360 Hz, and a plurality of different sampling frequencies according to an embodiment of the present invention may include 30, 45, 72, 90, 120, and 180 Hz. Such a plurality of different sampling frequencies is only an example, but is not limited thereto, and various frequencies may be applied.

단계(230)에서, 상기 추출된 심전도 신호에 대해 상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 관하여 비교 분석한다. In step 230, before and after applying the high-pass filter and the low-pass filter to the extracted electrocardiogram signal, and the plurality of different sampling frequencies are compared and analyzed.

360Hz의 샘플링 주파수로 추출된 데이터를 원본 데이터로, 본 발명의 실시예에 따른 복수의 서로 다른 샘플링 주파수는 30, 45, 72, 90, 120, 180 Hz로 추출된 데이터를 비교 데이터로 필터링하여 선택한다. 상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 원본 데이터와 상기 비교 데이터를 비교하는 기준에는 신호 대 노이즈 비율을 포함한다. 이후, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 대한 심전도 신호의 P파, QRS파, T파의 진폭을 비교한다. Data extracted with a sampling frequency of 360 Hz is the original data, and a plurality of different sampling frequencies according to an embodiment of the present invention are selected by filtering data extracted at 30, 45, 72, 90, 120, 180 Hz as comparison data. do. Criteria for comparing the original data with the comparison data before and after applying the high-pass filter and the low-pass filter include a signal-to-noise ratio. Thereafter, the amplitudes of the P wave, QRS wave, and T wave of the ECG signal with respect to a plurality of different sampling frequencies are compared.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 측정을 위해 서로 다른 샘플링 주파수와 필터 기법을 이용한 심전도 신호의 특징 비교 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 3 is a diagram illustrating a configuration of an apparatus for comparing characteristics of an ECG signal using different sampling frequencies and filter techniques for real-time measurement according to an embodiment of the present invention.

제안하는 실시간 측정을 위해 서로 다른 샘플링 주파수와 필터 기법을 이용한 심전도 신호의 특징 비교 장치는 필터링부(310), 샘플링부(320) 및 분석부(330)를 포함한다. The proposed apparatus for comparing characteristics of an electrocardiogram signal using different sampling frequencies and filter techniques for real-time measurement includes a filtering unit 310 , a sampling unit 320 , and an analysis unit 330 .

본 발명의 실시예에 따른 필터링부(310)는 심전도 신호의 노이즈를 제거하기 위한 필터의 차수 및 이동 지연 간격을 포함하는 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터의 파라미터를 설정한다. The filtering unit 310 according to an embodiment of the present invention sets parameters of the high-pass filter and the low-pass filter including the order and movement delay interval of the filter for removing noise from the ECG signal.

본 발명의 실시예에 따른 필터링부(310)의 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터는 무한 임펄스 응답(Infinite Impulse Response; IIR) 필터 또는 대칭 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response; FIR) 필터를 포함한다. 필터링부(310)는 IIR 필터와 대칭 FIR 필터에 관한 파라미터를 각각 설정한다. 상기 대칭 FIR 필터의 특징은 항상 안정적이고 신호가 왜곡되지 않는다는 점이다. 그러나 대칭 FIR은 상당한 연산량을 가지고 있으므로 의도된 용도에 맞게 적절히 선택해야 한다. 또한 계수가 홀수인 대칭 FIR 필터는 정수 지연을 가진다. 상기 IIR 필터의 차수는 상기 대칭 FIR 필터의 계수보다 작게 설정하며, IIR 필터를 통과한 신호는 왜곡되기 때문에 안정성을 보장할 수 있도록 설계되어야 한다. The high-pass filter and the low-pass filter of the filtering unit 310 according to an embodiment of the present invention include an infinite impulse response (IIR) filter or a symmetric finite impulse response (FIR) filter. The filtering unit 310 sets parameters related to the IIR filter and the symmetric FIR filter, respectively. A characteristic of the symmetric FIR filter is that it is always stable and the signal is not distorted. However, symmetric FIR has a significant amount of computation, so it must be appropriately selected for its intended use. Also, a symmetric FIR filter with odd coefficients has an integer delay. The order of the IIR filter is set to be smaller than the coefficient of the symmetric FIR filter, and since the signal passing through the IIR filter is distorted, it should be designed to ensure stability.

본 발명의 실시예에 따른 고역 통과 필터에는 무한 임펄스 응답 필터만을 적용한다. FIR 필터에는 전용 계산이 필요하다. 따라서 고역 통과 필터에 FIR 필터를 적용하는 것은 적절하지 않다. 따라서 본 발명에서는 고역 통과 필터에 IIR 필터만 사용한다. Only the infinite impulse response filter is applied to the high-pass filter according to the embodiment of the present invention. FIR filters require dedicated calculations. Therefore, it is not appropriate to apply the FIR filter to the high-pass filter. Therefore, in the present invention, only the IIR filter is used for the high-pass filter.

저역 통과 필터의 목적은 전원 라인에서 다양한 고조파 및 접지 바운싱 노이즈를 제거하는 것이다. 노이즈 주파수는 시스템의 전력 공급 네트워크에 따라 50/60Hz인 전력 그리드의 주파수와 동일하다. 본 발명의 실시예에 따른 저역 통과 필터에는 IIR 필터와 대칭 FIR 필터의 조합이 포함된다. 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 필터링부(310)를 더욱 상세히 설명한다. The purpose of the low-pass filter is to remove various harmonics and ground-bouncing noise from the power line. The noise frequency is equal to the frequency of the power grid, which is 50/60 Hz, depending on the system's power supply network. The low-pass filter according to an embodiment of the present invention includes a combination of an IIR filter and a symmetric FIR filter. The filtering unit 310 according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 4 .

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터링부의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a diagram for explaining the configuration of a filtering unit according to an embodiment of the present invention.

심전도 신호용 그리드에서 고역 통과 노이즈 및 저역 통과 노이즈를 제거하기 위해 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 설계해야 한다[42]. FIR 및 IIR 필터는 일반적으로 두 가지 유형의 필터링에 사용된다. 식(1)과 식(2)는 각각 FIR 필터와 IIR 필터를 설명한다.A high-pass filter and a low-pass filter should be designed to remove high-pass noise and low-pass noise from the grid for ECG signals [42]. FIR and IIR filters are commonly used for two types of filtering. Equations (1) and (2) describe the FIR filter and the IIR filter, respectively.

Figure 112021096091338-pat00001
(1)
Figure 112021096091338-pat00001
(One)

Figure 112021096091338-pat00002
(2)
Figure 112021096091338-pat00002
(2)

여기서, y(n)는 출력 신호(다시 말해, 필터링 후 심전도 신호)(431), x(n)는 입력 신호(다시 말해, 필터링 전 심전도 신호)(432), n은 필터 차수를 나타낸다. Here, y(n) is an output signal (that is, an electrocardiogram signal after filtering) 431, x(n) is an input signal (that is, an electrocardiogram signal before filtering) 432, and n is a filter order.

대칭 FIR 필터의 특징은 항상 안정적이고 신호가 왜곡되지 않는다는 점이다. 그러나 대칭 FIR은 상당한 연산량을 가지고 있으므로 의도된 용도에 맞게 적절히 선택해야 한다. 또한, 계수가 홀수인 대칭 FIR 필터는 정수 지연을 가진다. 즉, 정수 간격을 이동하기만 하면 원래 신호와 필터링된 신호를 의미한다. 이러한 이동 간격은 하기 식으로 나타낼 수 있다: A characteristic of a symmetric FIR filter is that it is always stable and the signal is not distorted. However, symmetric FIR has a significant amount of computation, so it must be appropriately selected for its intended use. Also, a symmetric FIR filter with odd coefficients has an integer delay. In other words, it means the original signal and the filtered signal simply by moving the integer interval. This shift interval can be expressed by the following formula:

Figure 112021096091338-pat00003
(3)
Figure 112021096091338-pat00003
(3)

여기서, n은 필터 차수, d는 이동 지연 간격을 나타낸다. Here, n is a filter order and d is a movement delay interval.

본 발명의 실시예에 따른 IIR 필터의 차수는 FIR 필터보다 훨씬 작다. 그러나 IIR 필터를 통과한 신호는 왜곡되기 때문에 안정성을 보장할 수 있도록 설계되어야 한다. The order of the IIR filter according to the embodiment of the present invention is much smaller than that of the FIR filter. However, since the signal passing through the IIR filter is distorted, it must be designed to ensure stability.

본 발명의 실시예에 따르면, 고역 통과 필터를 심전도 신호에 적용하여 0.01Hz ~ 0.05Hz의 컷오프 주파수로 노이즈를 제거했다. FIR 필터에는 전용 계산이 필요하다. 따라서, 고역 통과 필터에 FIR 필터를 적용하는 것은 적절하지 않다. 본 발명의 실시예에 따른 고역 통과 필터(420)에는 IIR 필터만 사용한다. According to an embodiment of the present invention, noise is removed with a cutoff frequency of 0.01 Hz to 0.05 Hz by applying a high-pass filter to the ECG signal. FIR filters require dedicated calculations. Therefore, it is not appropriate to apply the FIR filter to the high-pass filter. Only the IIR filter is used for the high pass filter 420 according to the embodiment of the present invention.

저역 통과 필터의 목적은 전원 라인에서 다양한 고조파 및 접지 바운싱 노이즈를 제거하는 것이다. 노이즈 주파수는 시스템의 전력 공급 네트워크에 따라 50/60Hz인 전력 그리드의 주파수와 동일하다. 본 발명의 실시예에 따르면, 도 4와 같이 필터 구조를 제안한다. 본 발명의 실시예에 따른 필터링부의 구조에는 저역 통과 필터(IIR(411) 및 FIR(412))와 고역 통과 필터(IIR(420))의 조합이 포함된다.The purpose of the low-pass filter is to remove various harmonics and ground-bouncing noise from the power line. The noise frequency is equal to the frequency of the power grid, which is 50/60 Hz, depending on the system's power supply network. According to an embodiment of the present invention, a filter structure is proposed as shown in FIG. 4 . The structure of the filtering unit according to the embodiment of the present invention includes a combination of a low-pass filter (IIR 411 and FIR 412) and a high-pass filter (IIR 420).

본 발명의 실시예에 따르면, 필터의 계산 횟수를 최소화하기 위해 Elliptic 방법에 따라 IIR 필터를 설계하고, Equiripple 방법에 따라 FIR 필터를 설계하였다. According to an embodiment of the present invention, an IIR filter is designed according to the Elliptic method in order to minimize the number of filter calculations, and an FIR filter is designed according to the Equiripple method.

다시 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 샘플링부(320)는 복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 심전도 신호를 추출한다. Referring back to FIG. 3 , the sampling unit 320 according to an embodiment of the present invention extracts an electrocardiogram signal using a plurality of different sampling frequencies.

먼저, BIT/MIH 데이터베이스에서의 샘플링 주파수로 추출된 심전도 신호에 관한 데이터를 원본 데이터로 생성하고, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 추출된 심전도 신호에 관한 데이터를 MIT/BIT 데이터베이스에서 비교 데이터로서 생성한다. BIT/MIH 데이터베이스 데이터의 샘플링 주파수는 360Hz이고, 본 발명의 실시예에 따른 복수의 서로 다른 샘플링 주파수는 30, 45, 72, 90, 120, 180 Hz를 포함할 수 있다. 이러한 복수의 서로 다른 샘플링 주파수는 일 실시예일뿐 이에 한정되지 않고 다양한 주파수를 적용할 수 있다. First, the data on the ECG signal extracted with the sampling frequency in the BIT/MIH database is generated as original data, and the data on the ECG signal extracted using a plurality of different sampling frequencies are compared in the MIT/BIT database as data. create The sampling frequency of the BIT/MIH database data is 360 Hz, and a plurality of different sampling frequencies according to an embodiment of the present invention may include 30, 45, 72, 90, 120, and 180 Hz. Such a plurality of different sampling frequencies is only an example, but is not limited thereto, and various frequencies may be applied.

본 발명의 실시예에 따른 분석부(330)는 상기 추출된 심전도 신호에 대해 상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 관하여 비교 분석한다. The analysis unit 330 according to an embodiment of the present invention compares and analyzes the plurality of different sampling frequencies before and after applying the high-pass filter and the low-pass filter to the extracted ECG signal.

360Hz의 샘플링 주파수로 추출된 데이터를 원본 데이터로, 본 발명의 실시예에 따른 복수의 서로 다른 샘플링 주파수는 30, 45, 72, 90, 120, 180 Hz로 추출된 데이터를 비교 데이터로 필터링하여 선택한다. 상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 원본 데이터와 상기 비교 데이터를 비교하는 기준에는 신호 대 노이즈 비율을 포함한다. 이후, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 대한 심전도 신호의 P파, QRS파, T파의 진폭을 비교한다. Data extracted with a sampling frequency of 360 Hz is the original data, and a plurality of different sampling frequencies according to an embodiment of the present invention are selected by filtering data extracted at 30, 45, 72, 90, 120, 180 Hz as comparison data. do. Criteria for comparing the original data with the comparison data before and after applying the high-pass filter and the low-pass filter include a signal-to-noise ratio. Thereafter, the amplitudes of the P wave, QRS wave, and T wave of the ECG signal with respect to a plurality of different sampling frequencies are compared.

앞서 설명한 바와 같이 BIT/MIH 데이터베이스 데이터의 샘플링 주파수는 360Hz이다. 본 발명의 실시예에서는 더 작은 샘플링 주파수로 이 데이터베이스에서 추출된 심전도 신호를 분석한다. 본 발명의 실시예에 따른 복수의 서로 다른 샘플링 주파수는 다음과 같이 선택될 수 있다: fnew_fre = (30, 45, 72, 90, 120, 180) Hz. As described above, the sampling frequency of the BIT/MIH database data is 360 Hz. In an embodiment of the present invention, the ECG signal extracted from this database is analyzed with a smaller sampling frequency. A plurality of different sampling frequencies according to an embodiment of the present invention may be selected as follows: f new_fre = (30, 45, 72, 90, 120, 180) Hz.

BIT/MIH 데이터베이스에서 생성된 데이터의 평가는 다음과 같다. 먼저, f new_fre 샘플링 주파수를 사용하여 MIT/BIT 데이터베이스에서 새로운 데이터베이스를 생성한다. 새로운 데이터와 원본 데이터 모두에 대해 필터를 수행한다.The evaluation of data generated in the BIT/MIH database is as follows. First, a new database is created from the MIT/BIT database using the f new_fre sampling frequency. Filters are performed on both new and original data.

360Hz의 샘플링 주파수에서 추출된 데이터를 원본 데이터로, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에서 추출된 데이터를 비교 데이터로 필터링하여 선택한다.Data extracted from a sampling frequency of 360 Hz is selected as original data, and data extracted from a plurality of different sampling frequencies is filtered and selected as comparison data.

비교 기준에는 신호의 SNR(Signal to Noise Ratio)이 포함되고, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에서 P파, QRS파, T파의 진폭을 비교한다.The comparison criterion includes a signal to noise ratio (SNR) of a signal, and compares the amplitudes of the P wave, QRS wave, and T wave at a plurality of different sampling frequencies.

필터를 적용하기 전과 적용 후 신호의 SNR은 다음과 같이 나타낼 수 있다: The SNR of the signal before and after applying the filter can be expressed as:

Figure 112021096091338-pat00004
(4)
Figure 112021096091338-pat00004
(4)

식(1)과 식(2)에 따라 FIR/IIR 필터의 총 곱셈 및 덧셈 계산 수는 다음과 같다.According to Equations (1) and (2), the total number of multiplication and addition calculations of the FIR/IIR filter is as follows.

Figure 112021096091338-pat00005
(5)
Figure 112021096091338-pat00005
(5)

Figure 112021096091338-pat00006
(6)
Figure 112021096091338-pat00006
(6)

FIR/IIR 필터가 전체 데이터에 대해 수행한 총 곱셈 및 작업 수는 다음과 같다.The total number of multiplications and operations performed by the FIR/IIR filter on the entire data is:

Figure 112021096091338-pat00007
(7)
Figure 112021096091338-pat00007
(7)

Figure 112021096091338-pat00008
(8)
Figure 112021096091338-pat00008
(8)

여기서, L은 데이터 길이, M은 FIR의 차수, N은 IIR 필터의 차수이다. Here, L is the data length, M is the order of the FIR, and N is the order of the IIR filter.

다음으로, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에서 심전도 신호에 대한 필터링 효과를 평가한다. 본 발명의 실시예에 따르면, MIT/BIH 데이터베이스에서의 심전도 신호를 사용하였고, 그 신호는 자발적 참여자로부터 직접 수집되었다. MIT/BIH 데이터베이스의 심전도 샘플은 360Hz의 샘플링 속도로 고정된다. 그러나 자발적 참여자들의 심전도 신호는 100Hz~2133Hz의 동적 샘플링 주파수를 가지고 있었다.Next, the filtering effect on the ECG signal at a plurality of different sampling frequencies is evaluated. According to an embodiment of the present invention, ECG signals from the MIT/BIH database were used, and the signals were collected directly from voluntary participants. ECG samples from the MIT/BIH database are fixed at a sampling rate of 360 Hz. However, the ECG signals of voluntary participants had a dynamic sampling frequency of 100 Hz to 2133 Hz.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 낮은 샘플링 주파수를 갖는 심전도 신호 비교한 그래프이다. 5 is a graph comparing ECG signals having different low sampling frequencies according to an embodiment of the present invention.

도 5(a)는 원본 데이터, 도 5(b) 내지 도 5(d)는 각각 30, 45 및 60Hz의 샘플링 주파수를 갖는 심전도 신호를 나타내는 그래프이다. 5(a) is original data, and FIGS. 5(b) to 5(d) are graphs illustrating ECG signals having sampling frequencies of 30, 45 and 60 Hz, respectively.

본 발명의 실시예에 따르면, MIT/BIH 데이터베이스의 5개의 심전도 신호를 사용하여 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 평가하였다. 이후, 이러한 데이터를 사용하여 30, 45, 60, 72, 90, 120, 180Hz의 샘플링 주파수로 7개의 새로운 심전도 신호를 생성한다. 제안된 설계를 위해, 본 발명에서는 데이터의 크기가 줄어들면 시스템의 계산 효율과 전반적인 전력 오버헤드가 증가할 수 있기 때문에 심박수 모니터 어플리케이션에 적합한 가능한 최저 샘플링 속도를 선택했다. P 파, QRS, P 파 파라미터를 평가해야 하는 심전도 관련 어플리케이션에 대해 최소 샘플링 주파수가 적합하다. According to an embodiment of the present invention, a high-pass filter and a low-pass filter were evaluated using five electrocardiogram signals from the MIT/BIH database. Then, using these data, seven new ECG signals are generated with sampling frequencies of 30, 45, 60, 72, 90, 120, and 180 Hz. For the proposed design, in the present invention, the lowest possible sampling rate suitable for heart rate monitor applications is selected because reducing the size of the data can increase the system's computational efficiency and overall power overhead. The minimum sampling frequency is suitable for ECG-related applications where P-wave, QRS, and P-wave parameters need to be evaluated.

또한, 샘플 주파수가 30, 45, 60Hz 인 MIT/BIH 데이터베이스의 5개의 심전도 신호를 사용하였다. 결과에 따르면 30Hz 주파수의 경우 신호의 R 피크에 대한 데이터가 상당히 많이 손실되므로, 애플리케이션이 심전도 신호의 R 피크 데이터를 사용하여 심박수를 계산하는 것은 적합하지 않다. 45Hz의 샘플링 주파수의 경우 여전히 피크 R의 손실이 있다. 따라서, 최소 샘플링 주파수 45Hz가 심전도 신호의 R 피크를 사용하는 어플리케이션에 적합하다. In addition, five ECG signals from the MIT/BIH database with sample frequencies of 30, 45, and 60 Hz were used. The results show that for the 30 Hz frequency, the data for the R peak of the signal is lost significantly, so it is not suitable for applications to calculate the heart rate using the R peak data of the ECG signal. For a sampling frequency of 45 Hz, there is still a loss of peak R. Therefore, the minimum sampling frequency of 45 Hz is suitable for applications using the R peak of the ECG signal.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 P, QRS, T파 검출을 위한 서로 다른 샘플링 주파수를 갖는 심전도 신호 비교한 그래프이다. 6 is a graph comparing ECG signals having different sampling frequencies for P, QRS, and T wave detection according to an embodiment of the present invention.

도 6(a)는 원본 데이터, 도 6(b) 내지 도 6(d)는 각각 90, 120 및 180Hz의 샘플링 주파수를 갖는 심전도 신호를 나타내는 그래프이다. 6(a) is original data, and FIGS. 6(b) to 6(d) are graphs illustrating ECG signals having sampling frequencies of 90, 120 and 180 Hz, respectively.

본 발명의 실시예에 따르면, MIT/BIH 데이터베이스에서 샘플 주파수가 60, 72, 90, 120, 180Hz 인 5개의 심전도 신호를 검사한다. 결과에 따르면 90Hz 의 주파수에 대해서는 결정 요인 Q 및 S 값이 일반적으로 잘못될 수 있다. 따라서 P, QRS, T 파를 90Hz로 간주하는 어플리케이션에 적합한 최소 샘플링 주파수 값을 선택한다. According to an embodiment of the present invention, five ECG signals having sample frequencies of 60, 72, 90, 120, and 180 Hz are examined in the MIT/BIH database. The results show that the determinant Q and S values can generally be wrong for a frequency of 90 Hz. Therefore, we choose the minimum sampling frequency value suitable for applications that consider P, QRS, and T waves to be 90 Hz.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 도메인에서의 심전도 신호 및 필터링된 심전도 신호를 나타내는 그래프이다. 7 is a graph illustrating an ECG signal and a filtered ECG signal in a time domain according to an embodiment of the present invention.

도 7은 샘플링 속도가 360Hz인 시간 영역 및 노이즈 스펙트럼의 원본 심전도 신호를 도시하였다. 도 7(a)는 시간 도메인 에서의 심전도 신호, 도 7(b)는 저역 통과 FIR 필터(파란색) 및 저역 통과 IIR 필터(빨간색)와 같은 필터링된 신호가 원래 신호에 대해 충분한 노이즈 억제를 제공하여 심전도 신호의 정확한 처리를 개선할 수 있음을 명확히 보여준다. 7 shows the original ECG signal in the time domain and noise spectrum with a sampling rate of 360 Hz. Fig. 7(a) shows the electrocardiogram signal in the time domain, and Fig. 7(b) shows that filtered signals such as low-pass FIR filter (blue) and low-pass IIR filter (red) provide sufficient noise suppression for the original signal. It clearly shows that the accurate processing of ECG signals can be improved.

다음으로 90, 120, 180, 360Hz의 샘플링 주파수를 갖는 심전도 신호에 필터가 미치는 영향을 분석한다. 샘플링 주파수가 90, 120Hz인 신호의 경우 이러한 심전도 신호의 노이즈는 주파수가 60Hz인 전원 그리드의 노이즈이기 때문에 저역 통과 필터를 적용하지 않는다. 90Hz 및 120Hz 샘플링 주파수는 이러한 노이즈의 효과를 평가하기에 충분하지 않다. Next, the effect of the filter on the ECG signal having sampling frequencies of 90, 120, 180, and 360 Hz is analyzed. In the case of signals with sampling frequencies of 90 and 120 Hz, the low-pass filter is not applied because the noise of the ECG signal is the noise of the power grid with a frequency of 60 Hz. The 90 Hz and 120 Hz sampling frequencies are not sufficient to evaluate the effect of this noise.

표 1는 필터 적용 전후의 신호 SNR, 필터 전후의 P, QRS, T 파형의 진폭, 각 필터에 해당하는 계산 횟수이다.Table 1 shows the signal SNR before and after the filter application, the amplitudes of the P, QRS, and T waveforms before and after the filter, and the number of calculations corresponding to each filter.

<표 1><Table 1>

Figure 112021096091338-pat00009
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샘플링 주파수를 변경하면 신호의 SNR이 바뀌는 것을 알 수 있다. 심전도 신호의 SNR은 증가하는 경향이 있다. 따라서, 샘플링 주파수가 작을수록 60Hz에서 전력 전달 네트워크의 스펙트럼 노이즈의 영향을 줄일 수 있음을 명확히 알 수 있다. It can be seen that changing the sampling frequency changes the SNR of the signal. The SNR of the electrocardiogram signal tends to increase. Therefore, it can be clearly seen that the smaller sampling frequency can reduce the effect of spectral noise of the power delivery network at 60 Hz.

심전도 신호 재구성을 위한 90Hz 및 120Hz 샘플링 주파수의 경우 저역 통과 IIR 필터가 낮은 필터링 순서를 제공하고 저역 통과 FIR 필터에 대해 훨씬 높은 계산 효율성을 향상시킬 수 있기 때문에 저역 통과 IIR 필터만 적용한다. IR 필터가 심전도 신호를 왜곡하여 재구성된 심전도 신호의 SNR이 35~45Hz 주파수 범위에서 감소하기 때문에 90Hz 및 120Hz의 샘플링 주파수에서 심전도 신호의 SNR이 원래 신호의 SNR보다 작다. 또한 180Hz 및 360Hz 샘플링 주파수에서 광범위한 필터 조합에 따른 SNR 특성을 조사하고 분석하였다. 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터 IIR/FIR 필터가 결합된 심전도 신호의 SNR은 고역 통과(HP) 및 저역 통과 (LP) IIR/FIR, HP-LP(IIR-IIR), HP-LP(IIR-FIR) 등 모든 필터 조합에서 최상의 성능을 제공할 수 있다. 120Hz 미만의 낮은 샘플링 주파수에서는 심전도 신호를 개선하기 위해 필터를 적용할 필요가 없다.For 90Hz and 120Hz sampling frequencies for ECG signal reconstruction, we only apply the lowpass IIR filter because the lowpass IIR filter provides a lower filtering order and can improve the computational efficiency much higher for the lowpass FIR filter. Because the IR filter distorts the ECG signal and the SNR of the reconstructed ECG signal decreases in the frequency range of 35~45Hz, the SNR of the ECG signal at sampling frequencies of 90Hz and 120Hz is smaller than the SNR of the original signal. In addition, the SNR characteristics according to a wide range of filter combinations at 180Hz and 360Hz sampling frequencies were investigated and analyzed. The SNR of the ECG signal with high-pass filter and low-pass filter IIR/FIR filter combined is high-pass (HP) and low-pass (LP) IIR/FIR, HP-LP (IIR-IIR), HP-LP (IIR-FIR) ), etc., can provide the best performance in all filter combinations. At low sampling frequencies below 120 Hz, there is no need to apply filters to improve the ECG signal.

서로 다른 심전도 샘플링 주파수에서의 진폭 측면에서 심전도 신호는 180Hz 및 360Hz, 대칭 FIR 필터 신호의 P, QRS, T 파의 진폭은 IIR 필터의 진폭보다 크다. IIR 필터는 FIR 필터보다 신호 진폭을 더 줄여 피크 심전도 신호의 위치 지정의 어려움을 증가시킬 수 있다. FIR 필터를 사용하면 노이즈가 제거된 신호를 사용하여 QRS 피크의 위치와 진폭을 쉽게 결정할 수 있다. 그러나 IIR 필터는 도 7(b)와 같이 원치 않는 링잉 신호를 유발할 수 있다. 따라서 필터 조합과 필터 차수 최적화 선택은 SNR, 진폭 및 계산 복잡성 측면에서 가장 중요한 요소이다. In terms of amplitude at different ECG sampling frequencies, the ECG signal is 180 Hz and 360 Hz, and the amplitudes of the P, QRS, and T waves of the symmetric FIR filter signal are larger than that of the IIR filter. IIR filters can reduce signal amplitude more than FIR filters, increasing the difficulty of locating peak ECG signals. The FIR filter makes it easy to determine the position and amplitude of the QRS peak using the denoised signal. However, the IIR filter may cause an unwanted ringing signal as shown in FIG. 7(b). Therefore, filter combination and filter order optimization selection are the most important factors in terms of SNR, amplitude and computational complexity.

표 1의 결과는 또한 서로 다른 주파수에서 IIR 필터와 대칭 FIR 필터 간에 수행해야 하는 계산 횟수의 큰 차이를 보여준다. The results in Table 1 also show the large difference in the number of calculations that must be performed between the IIR filter and the symmetric FIR filter at different frequencies.

180Hz 샘플링 주파수에서 홀수차수인 대칭 FIR 필터의 차수는 45인 반면 IIR 필터의 차수는 15이다. 그러나 서로 다른 샘플링 주파수(즉, 360Hz)에서는 FIR 필터 차수를 45에서 91로 변경해야 하기 때문에 계산 복잡성을 크게 증가시킬 수 있다. 따라서 저역 통과 FIR 필터가 50 및 60Hz 주파수로 작동하는 전력 전달 네트워크의 노이즈를 상당히 제거할 수 있기 때문에 180Hz에서의 샘플링 주파수 선택이 심전도 신호에 가장 적합할 수 있음을 확인할 수 있다.At a sampling frequency of 180 Hz, the odd-order symmetric FIR filter has an order of 45 while the IIR filter has an order of 15. However, at different sampling frequencies (i.e. 360 Hz), the FIR filter order must be changed from 45 to 91, which can greatly increase the computational complexity. Therefore, it can be confirmed that the selection of the sampling frequency at 180 Hz may be best suited for the ECG signal, since the low-pass FIR filter can significantly remove the noise of the power delivery network operating at 50 and 60 Hz frequencies.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 심전도 신호 측정 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 8 is a diagram showing the configuration of a real-time ECG signal measurement system according to an embodiment of the present invention.

도 8과 같이 자발적 참여자들의 심전도 신호를 측정하기 위한 테스트 모델을 만들었다. 하드웨어 아키텍처에는 심전도 집적 회로(ADS1293) 및 평가 보드(ESP32)가 포함된다. ADS1293 보드는 전극[43]을 통해 참여자와 연결되고 시리얼 주변 인터페이스(SPI)를 통해 ESP32 보드와 통신한다. ESP32 보드 및 ADS1293 모듈의 연결 신호에는 (GPIO23-MOSI), (GPIO19-MISO), (GPIO18-SK), (GPIO17-ADS1293_CS), (GPIO16-ADS1293_INT)와 같은 주요 구성 요소가 포함된다. ADS1293 칩의 경우 구성된 신호에는 다음 (IN0-RA), (IN1-LA), (IN2-LL), (IN3-RL)이 포함된다. 여기에는 작동 구성과 기타 파라미터가 자세히 설명되어 있다[19]. 이 시스템의 구현 코드는 Arduino 라이브러리를 사용한다. ADS1293의 샘플링 주파수를 조정하여 테스트를 적합하게 할 수 있다. 평가 테스트에서 심전도 신호의 샘플링 주파수는 각각 100Hz, 200Hz, 400Hz, 2133Hz로 선택되었다. 서로 다른 샘플링 주파수를 사용하여 다양한 유형의 노이즈가 심전도 신호에 미치는 영향을 모니터링하여 제거할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 제안된 필터 아키텍처를 시스템에 적용하여 참여자에게서 수집된 심전도 신호에서 원하지 않는 노이즈를 제거했다. 심전도 신호를 수집하고 표시하는 소프트웨어는 MATLAB에서 수행된다. SNR, 심전도 진폭 및 활용 필터 차수를 포함한 주요 결과는 표 3에 요약되어 있다.As shown in FIG. 8, a test model was created for measuring the ECG signals of voluntary participants. The hardware architecture includes an electrocardiogram integrated circuit (ADS1293) and an evaluation board (ESP32). The ADS1293 board is connected to the participant via electrodes [43] and communicates with the ESP32 board via the Serial Peripheral Interface (SPI). The connection signals of ESP32 board and ADS1293 module include major components such as (GPIO23-MOSI), (GPIO19-MISO), (GPIO18-SK), (GPIO17-ADS1293_CS), (GPIO16-ADS1293_INT). For the ADS1293 chip, the configured signals include (IN0-RA), (IN1-LA), (IN2-LL), (IN3-RL): The operating configuration and other parameters are described in detail here [19]. The implementation code for this system uses the Arduino library. The sampling frequency of the ADS1293 can be adjusted to suit the test. In the evaluation test, sampling frequencies of the ECG signals were selected as 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz, and 2133 Hz, respectively. Different sampling frequencies can be used to monitor and eliminate the effects of different types of noise on the ECG signal. As shown in Fig. 4, the proposed filter architecture was applied to the system to remove unwanted noise from the ECG signals collected from participants. The software for collecting and displaying the ECG signal is done in MATLAB. The key results including SNR, ECG amplitude and utilized filter order are summarized in Table 3.

표 2는 2133, 400, 200, 100Hz의 각 샘플링 주파수에서 측정된 심전도 신호의 SNR을 보여준다.Table 2 shows the SNR of the ECG signal measured at each sampling frequency of 2133, 400, 200, and 100 Hz.

<표 2><Table 2>

Figure 112021096091338-pat00010
Figure 112021096091338-pat00010

MIB 원본 데이터(330Hz)에서 (30, 40, 60, 90, 120, 180)Hz를 재구성할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 복수의 서로 다른 샘플링 주파수로 재구성된 신호 주파수와 유사하게 측정에 사용하였다(즉, 재구성된 90Hz에 대해 100Hz 신호를 측정). 이는 활용되는 칩의 고정 주파수 제한(즉, ADS1293의 2333 Hz)에서 비롯된다.(30, 40, 60, 90, 120, 180) Hz can be reconstructed from the original MIB data (330 Hz). A plurality of different sampling frequencies according to an embodiment of the present invention were used for measurement similarly to the reconstructed signal frequency (ie, a 100 Hz signal was measured for the reconstructed 90 Hz). This comes from the fixed frequency limit of the chip being utilized (ie 2333 Hz on the ADS1293).

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 도메인에서의 필터링 전과 후의 서로 다른 샘플링 주파수를 갖는 심전도 신호를 나타내는 그래프이다. 9 is a graph illustrating an electrocardiogram signal having different sampling frequencies before and after filtering in the time domain according to an embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시간 도메인에서의 필터링 전과 후의 서로 다른 샘플링 주파수를 갖는 심전도 신호를 나타내는 그래프이다.10 is a graph illustrating an electrocardiogram signal having different sampling frequencies before and after filtering in the time domain according to another embodiment of the present invention.

도 9(a) 및 도 9(b)는 각각 2133 Hz 샘플링 주파수에서 시간 도메인에서의 심전도 신호 및 심전도 신호의 스펙트럼을 나타내고, 도 9(c) 및 도 9(d)는 각각 400 Hz 샘플링 주파수에서 시간 도메인에서의 심전도 신호 및 심전도 신호의 스펙트럼을 나타낸다.9(a) and 9(b) respectively show the ECG signal and the spectrum of the ECG signal in the time domain at the 2133 Hz sampling frequency, and FIGS. 9(c) and 9(d) are respectively at the 400 Hz sampling frequency. The ECG signal and the spectrum of the ECG signal in the time domain are shown.

도 10(a) 및 도 10(b)는 각각 200 Hz 샘플링 주파수에서 시간 도메인에서의 심전도 신호 및 심전도 신호의 스펙트럼을 나타내고, 도 10(c) 및 도 10(d)는 각각 100 Hz 샘플링 주파수에서 시간 도메인에서의 심전도 신호 및 심전도 신호의 스펙트럼을 나타낸다.10(a) and 10(b) show the ECG signal and the spectrum of the ECG signal in the time domain at 200 Hz sampling frequency, respectively, and FIGS. 10(c) and 10(d) are each at 100 Hz sampling frequency. The ECG signal and the spectrum of the ECG signal in the time domain are shown.

SNR 및 진폭과 같은 측정된 신호를 분석한 결과, 100Hz 샘플링 주파수에서 P, QRS, T 파에 필터가 필요하지 않음을 알 수 있었다. 그러나 샘플링 주파수가 증가하면 도 9(a, c) 및 도 10(a)와 같이 원래 심전도 신호의 SNR이 저하되는 것을 볼 수 있다. 심전도 신호에서 측정된 P, QRS, T 파의 진폭 측면에서 대칭 FIR 필터의 진폭이 IIR 필터의 진폭보다 높은 것을 발견했다. 필요한 필터 수 측면에서 로우패스 IIR 필터는 2133Hz까지 동일한 수의 필터 차수를 제공할 수 있다. 그러나 샘플링 주파수가 2133Hz 이상 증가하면 필요한 필터 차수가 크게 증가했다.As a result of analyzing the measured signals such as SNR and amplitude, it was found that no filters were required for P, QRS, and T waves at a sampling frequency of 100 Hz. However, as the sampling frequency increases, it can be seen that the SNR of the original ECG signal is lowered as shown in FIGS. 9(a, c) and 10(a). We found that the amplitude of the symmetric FIR filter was higher than that of the IIR filter in terms of the amplitudes of the P, QRS, and T waves measured in the ECG signal. In terms of the number of filters required, a lowpass IIR filter can provide the same number of filter orders up to 2133Hz. However, when the sampling frequency was increased above 2133 Hz, the required filter order increased significantly.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.  또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.  이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.  예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.  또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The device described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of the hardware component and the software component. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For convenience of understanding, although one processing device is sometimes described as being used, one of ordinary skill in the art will recognize that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that may include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.  소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.  소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device. The software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. may be embodied in The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.  상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.  상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.  컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.  프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.  The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.  예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

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Claims (8)

필터링부가 심전도 신호의 노이즈를 제거하기 위한 필터의 차수 및 이동 지연 간격을 포함하는 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터의 파라미터를 설정하는 단계;
샘플링부가 복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 심전도 신호를 추출하는 단계; 및
분석부가 상기 추출된 심전도 신호에 대해 상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 관하여 비교 분석하는 단계
를 포함하는 심전도 신호의 특징 분석 방법.
setting, by a filtering unit, parameters of a high-pass filter and a low-pass filter including an order and a movement delay interval of the filter for removing noise from the ECG signal;
extracting, by a sampling unit, an electrocardiogram signal using a plurality of different sampling frequencies; and
Comparing and analyzing before and after applying the high-pass filter and the low-pass filter to the extracted ECG signal by the analysis unit and the plurality of different sampling frequencies
A characteristic analysis method of an electrocardiogram signal comprising a.
제1항에 있어서,
상기 필터링부가 심전도 신호의 노이즈를 제거하기 위한 필터의 차수 및 이동 지연 간격을 포함하는 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터의 파라미터를 설정하는 단계는,
무한 임펄스 응답(Infinite Impulse Response; IIR) 필터와 대칭 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response; FIR) 필터에 관한 파라미터를 각각 설정하고,
상기 대칭 유한 임펄스 응답 필터는 계수가 홀수인 경우 정수 지연을 갖고,
상기 무한 임펄스 응답 필터의 차수는 상기 대칭 유한 임펄스 응답 필터의 계수보다 작게 설정하며, 고역 통과 필터에는 무한 임펄스 응답 필터만을 적용하는
심전도 신호의 특징 분석 방법.
According to claim 1,
The step of the filtering unit setting parameters of the high-pass filter and the low-pass filter including the order and movement delay interval of the filter for removing the noise of the electrocardiogram signal,
setting parameters for an Infinite Impulse Response (IIR) filter and a symmetric Finite Impulse Response (FIR) filter, respectively;
The symmetric finite impulse response filter has an integer delay when the coefficients are odd,
The order of the infinite impulse response filter is set to be smaller than the coefficient of the symmetric finite impulse response filter, and only the infinite impulse response filter is applied to the high pass filter.
Method of characterization of electrocardiogram signals.
제1항에 있어서,
상기 샘플링부가 복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 심전도 신호를 추출하는 단계는,
BIT/MIH 데이터베이스에서의 샘플링 주파수로 추출된 심전도 신호에 관한 데이터를 원본 데이터로 생성하고,
복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 추출된 심전도 신호에 관한 데이터를 MIT/BIT 데이터베이스에서 비교 데이터로서 생성하는
심전도 신호의 특징 분석 방법.
The method of claim 1,
The step of the sampling unit extracting the electrocardiogram signal using a plurality of different sampling frequencies,
Generate the data about the ECG signal extracted with the sampling frequency from the BIT/MIH database as the original data,
Data on the ECG signal extracted using a plurality of different sampling frequencies are generated as comparison data in the MIT/BIT database.
Method of characterization of electrocardiogram signals.
제3항에 있어서,
상기 분석부가 상기 추출된 심전도 신호에 대해 상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 관하여 비교 분석하는 단계는,
상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 원본 데이터와 상기 비교 데이터를 비교하는 기준에는 신호 대 노이즈 비율을 포함하고, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 대한 심전도 신호의 P파, QRS파, T파의 진폭을 비교하는
심전도 신호의 특징 분석 방법.
4. The method of claim 3,
Comparing and analyzing the plurality of different sampling frequencies before and after the analysis unit applies the high-pass filter and the low-pass filter to the extracted ECG signal,
The criteria for comparing the original data and the comparison data before and after applying the high-pass filter and the low-pass filter include a signal-to-noise ratio, and P wave and QRS wave of the electrocardiogram signal for a plurality of different sampling frequencies , to compare the amplitude of the T wave
Method of characterization of electrocardiogram signals.
심전도 신호의 노이즈를 제거하기 위한 필터의 차수 및 이동 지연 간격을 포함하는 피라미터를 설정하여 적용된 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 포함하는 필터링부;
복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 심전도 신호를 추출하는 샘플링부; 및
상기 추출된 심전도 신호에 대해 상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 관하여 비교 분석하는 분석부
를 포함하는 심전도 신호의 특징 분석 장치.
a filtering unit including a high-pass filter and a low-pass filter applied by setting parameters including an order and a movement delay interval of a filter for removing noise from an electrocardiogram signal;
a sampling unit for extracting an electrocardiogram signal using a plurality of different sampling frequencies; and
An analysis unit that compares and analyzes the plurality of different sampling frequencies before and after applying the high-pass filter and the low-pass filter to the extracted ECG signal
An electrocardiogram signal feature analysis device comprising a.
제5항에 있어서,
상기 필터링부는,
무한 임펄스 응답(Infinite Impulse Response; IIR) 필터와 대칭 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response; FIR) 필터에 관한 파라미터가 각각 설정되고,
상기 대칭 유한 임펄스 응답 필터는 계수가 홀수인 경우 정수 지연을 갖고,
상기 무한 임펄스 응답 필터의 차수는 상기 대칭 유한 임펄스 응답 필터의 계수보다 작게 설정되며, 고역 통과 필터에는 무한 임펄스 응답 필터만을 적용하는
심전도 신호의 특징 분석 장치.
6. The method of claim 5,
The filtering unit,
Parameters for an Infinite Impulse Response (IIR) filter and a symmetric Finite Impulse Response (FIR) filter are respectively set;
The symmetric finite impulse response filter has an integer delay when the coefficients are odd,
The order of the infinite impulse response filter is set to be smaller than the coefficient of the symmetric finite impulse response filter, and only the infinite impulse response filter is applied to the high-pass filter.
A device for analyzing the characteristics of an electrocardiogram signal.
제5항에 있어서,
상기 샘플링부는,
BIT/MIH 데이터베이스에서의 샘플링 주파수로 추출된 심전도 신호에 관한 데이터를 원본 데이터로 생성하고,
복수의 서로 다른 샘플링 주파수를 이용하여 추출된 심전도 신호에 관한 데이터를 MIT/BIT 데이터베이스에서 비교 데이터로서 생성하는
심전도 신호의 특징 분석 장치.
6. The method of claim 5,
The sampling unit,
Generate the data about the ECG signal extracted with the sampling frequency from the BIT/MIH database as the original data,
Data on the ECG signal extracted using a plurality of different sampling frequencies are generated as comparison data in the MIT/BIT database.
A device for analyzing the characteristics of an electrocardiogram signal.
제7항에 있어서,
상기 분석부는,
상기 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후 및 상기 원본 데이터와 상기 비교 데이터를 비교하는 기준에는 신호 대 노이즈 비율을 포함하고, 복수의 서로 다른 샘플링 주파수에 대한 심전도 신호의 P파, QRS파, T파의 진폭을 비교하는
심전도 신호의 특징 분석 장치.
8. The method of claim 7,
The analysis unit,
The criteria for comparing the original data and the comparison data before and after applying the high-pass filter and the low-pass filter include a signal-to-noise ratio, and P wave and QRS wave of the electrocardiogram signal for a plurality of different sampling frequencies , to compare the amplitude of the T wave
A device for analyzing the characteristics of an electrocardiogram signal.
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WO2024080432A1 (en) * 2022-10-14 2024-04-18 주식회사 헬스리안 Method for removing noise from electrocardiogram signal

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KR20210001575A (en) * 2019-06-28 2021-01-07 포항공과대학교 산학협력단 Real-time cardiac rate detection apparatus in noisy environment and method thereof
KR20210067370A (en) * 2019-11-29 2021-06-08 한국생산기술연구원 Method and apparatus for measuring biosignal in a non-contact manner and clothes using the same

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