KR102458657B1 - Artificial Intelligence Based ECG Analysis and Application for Automated External Defibrillator - Google Patents

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KR102458657B1
KR102458657B1 KR1020220036545A KR20220036545A KR102458657B1 KR 102458657 B1 KR102458657 B1 KR 102458657B1 KR 1020220036545 A KR1020220036545 A KR 1020220036545A KR 20220036545 A KR20220036545 A KR 20220036545A KR 102458657 B1 KR102458657 B1 KR 102458657B1
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이병석
박정회
박종서
김원재
윤남식
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Abstract

The present invention relates to an electrocardiogram analysis and application method of a complex ECG feature extraction method for an AI-based automatic defibrillator. In this technology, only those patients who need an electric shock are given an electric shock, and the reliability of an automatic defibrillator is improved through a highly accurate ECG extraction method. That is, the present invention provides an electrocardiogram analysis and application method for an AI-based automatic defibrillator of a system having a computer device for machine learning consisting of an ECG data storage, a first ECG feature extraction unit, and an ECG machine learning unit, and an automatic defibrillator connected thereto and consisting of an electrocardiogram measurement unit, a second ECG feature extraction unit, and an ECG AI engine.

Description

인공지능 기반 자동심장충격기용 복합 ECG특징 추출 방식의 심전도 분석 및 적용 방법{Artificial Intelligence Based ECG Analysis and Application for Automated External Defibrillator}Electrocardiogram analysis and application method of complex ECG feature extraction method for artificial intelligence-based automatic defibrillator {Artificial Intelligence Based ECG Analysis and Application for Automated External Defibrillator}

본 발명은 인공지능 기반 자동심장충격기용 복합 ECG특징 추출 방식의 심전도 분석 및 적용 방법에 관한 것으로서, 자동심장충격기의 심전도 분석 기술의 정확도를 높이기 위하여 ECG데이터를 이용하여 기계학습을 수행하여, 충격(Shock)과 비충격(No-Shock)의 판단이 정확하게 이루어지도록 함으로써 전기충격이 필요한 환자에게만 전기충격이 이루어지도록 하고, 높은 정확도를 갖는 ECG추출 방식을 통해 자동심장충격기의 신뢰도를 향상시키고자 한 기술에 관한 것이다.The present invention relates to an electrocardiogram analysis and application method of a complex ECG feature extraction method for an AI-based automatic defibrillator. Shock) and non-shock (No-Shock) are accurately judged, so that only the patients who need an electric shock can receive an electric shock, and the high-accuracy ECG extraction method is used to improve the reliability of the AED. is about

일반적으로 자동심장충격기(또는 자동제세동기 Automated External Defibrillator, AED)는 자동으로 심장세동을 제거하는 장치로서, 심장박동이 불규칙한 부정맥 환자이거나 심장박동이 정지되어 각 조직으로 혈류가 중단되면서 생체활동에 필수적인 산소 등의 공급이 중단되는 현상인 급성심정지 (SCA: Sudden Cardiac Arrest) 현상이 발생할 때, 외부로부터 전기충격을 주어서 심장박동을 정상적으로 돌아오도록 하는 장치이다.In general, an automatic defibrillator (or Automated External Defibrillator, AED) is a device that automatically removes cardiac fibrillation, which is essential for vital activity as blood flow to each tissue is interrupted due to arrhythmia patients with irregular heartbeats or cardiac arrest. It is a device that restores normal heartbeat by giving an electric shock from the outside when sudden cardiac arrest (SCA: Sudden Cardiac Arrest), a phenomenon in which the supply of oxygen is interrupted, occurs.

이러한 자동심장충격기의 사용과정은 환자의 몸에 부착되는 패드를 통해 환자의 심전도(ECG)를 측정하여, 해당 환자에게 충격(Shock)을 선택할지 비충격(No-Shock)을 선택할지 기기 스스로 판단하여, 전기충격이 이루어지고 있다.In the process of using the automatic defibrillator, the patient's electrocardiogram (ECG) is measured through a pad attached to the patient's body, and the device decides whether to select Shock or No-Shock for the patient. Thus, an electric shock is made.

따라서, 자동심장충격기에서 판단되는 것이 전기충격의 여부를 결정하기 때문에 정확한 판단이 요구되며, 전기충격이 필요한 환자에게 전기충격이 제대로 적용되지 않거나, 전기충격이 필요 없는 환자에게까지 불필요한 전기충격이 가해지는 문제점이 있었다.Therefore, accurate judgment is required because what is judged by the AED determines whether or not an electric shock is present. There was a problem with losing.

또한 자동심장충격기는 고성능의 중앙 처리 장치(Central Processing Unit, CPU)나 애플리케이션 프로세서(Application Processor, AP)보다는 성능이 낮은 마이크로컨트롤러(Microcontroller Unit, MCU)를 사용하기 때문에 신속한 전기충격 판단을 위하여 연산에 따른 부하가 적은 알고리즘을 사용해야 한다.In addition, since the AED uses a microcontroller unit (MCU) with lower performance than a high-performance central processing unit (CPU) or application processor (AP), it is necessary to calculate the An algorithm with a low load should be used.

자동심장충격기의 판정 정확도에 따라 충격이 필요한 리듬과 관련된 민감도(Sensitivity)를 계산할 수 있고, 충격이 필요 없는 리듬과 관련된 특이도(Specificity)를 계산할 수 있다. 상기 민감도와 특이도가 높은 알고리즘이 판정 정확도가 높은 것으로서, 충격이 필요없는 리듬과 관련된 특이도(Specificity)가 민감도(Sensitivity)에 비해 더 중요하다.According to the determination accuracy of the AED, a sensitivity related to a rhythm requiring a shock may be calculated, and a specificity related to a rhythm that does not require a shock may be calculated. As the algorithm having high sensitivity and specificity has high determination accuracy, specificity related to a rhythm that does not require a shock is more important than sensitivity.

기존의 자동심장충격기에서 사용되는 심장리듬 분석을 위한 ECG특징 추출 알고리즘은 다음과 같다.The ECG feature extraction algorithm for cardiac rhythm analysis used in existing AEDs is as follows.

- TCSC: 임계 교차 샘플 수(Threshold Crossing Sample Count) 알고리즘- TCSC: Threshold Crossing Sample Count Algorithm

- VFLEAK: VF 필터(VF Filter Leakage) 알고리즘- VFLEAK: VF Filter Leakage Algorithm

- PSR: 위상 공간 재구성(Phase Space Reconstruction) 알고리즘- PSR: Phase Space Reconstruction Algorithm

- HILB: 힐베르트 변환(Hilbert Transform) 알고리즘- HILB: Hilbert Transform Algorithm

- bWT/bCP/bW: QRS 복합체 식별 알고리즘- bWT/bCP/bW: QRS complex identification algorithm

상기 ECG특징 추출 알고리즘과 매개변수의 참고문헌은 아래의 공개자료를 통해 공지된 바 있다.References of the ECG feature extraction algorithm and parameters have been known through the following publications.

- TCSC: "A simple time domain algorithm for the detection of ventricular fibrillation in electrocardiogram", Arafat M, Chowdhury A and Hasan M, Signal, Image and Video Processing, 5: 1-10, 2011.- TCSC: "A simple time domain algorithm for the detection of ventricular fibrillation in electrocardiogram", Arafat M, Chowdhury A and Hasan M, Signal, Image and Video Processing, 5: 1-10, 2011.

- VFLEAKL: (1) "Computer detection of ventricular fibrillation", S. Kuo, D. Dillman, Computers in Cardiology, 1978, 2747-2750. (2) "Reliability of old and new ventricular fibrillation detection algorithms for automated external defibrillators", A. Amann, R. Tratning, and K. Unterkofler, Biomed Eng Online, 4(60), 2005.- VFLEAKL: (1) "Computer detection of ventricular fibrillation", S. Kuo, D. Dillman, Computers in Cardiology, 1978, 2747-2750. (2) "Reliability of old and new ventricular fibrillation detection algorithms for automated external defibrillators", A. Amann, R. Tratning, and K. Unterkofler, Biomed Eng Online, 4(60), 2005.

- PSR/HILB: (1) "Detecting ventricular fibrillation by time-delay methods", A. Amann, R. Tratning, and K. Unterkofler, IEEE Trans Biomed Eng, 54(1): 174-77, 2007. (2) "A new ventricular fibrillation algorithm for automated external defibrillators", A. Amann, R. Tratning, and K. Unterkofler, Computers in Cardiology, 559-562, 2005.- PSR/HILB: (1) "Detecting ventricular fibrillation by time-delay methods", A. Amann, R. Tratning, and K. Unterkofler, IEEE Trans Biomed Eng, 54(1): 174-77, 2007. (2 ) "A new ventricular fibrillation algorithm for automated external defibrillators", A. Amann, R. Tratning, and K. Unterkofler, Computers in Cardiology, 559-562, 2005.

- bWT/bCP/bW: Irusta U, Ruiz J,Aramendi E, Ruiz de Gauna S, Ayala U, Alonso E A high-temporal resolutionalgorithm to discriminate shockable from nonshockable rhythms in adults and children Resuscitation 2012 Sep;83(9):1090-7- bWT/bCP/bW: Irusta U, Ruiz J,Aramendi E, Ruiz de Gauna S, Ayala U, Alonso E A high-temporal resolutionalgorithm to discriminate shockable from nonshockable rhythms in adults and children Resuscitation 2012 Sep;83(9):1090 -7

그러나 상기의 알고리즘은 각각의 문제점을 가지고 있으며, 문제점들을 설명하면 다음과 같다. However, the above algorithm has each problem, and the problems will be described as follows.

- 임계 교차 샘플 수(Threshold Crossing Sample Count, TCSC) 알고리즘은 자동심장충격기 규격에서 요구하는 민감도(Sensitivity)와 특이도(Specificity)는 만족하지만, ECG 신호의 진폭이 0.1mV인 심장 리듬의 경우에는 충격이 필요 없는데 충격성 심장 리듬으로 틀리게 판정하는 위양성(False Positive. FP)이 높다는 단점이 있다.- The Threshold Crossing Sample Count (TCSC) algorithm satisfies the sensitivity and specificity required by the AED standard, but in the case of a heart rhythm with an ECG signal amplitude of 0.1mV, shock Although this is not necessary, it has a disadvantage in that the false positive (FP), which is incorrectly judged as a shock heart rhythm, is high.

- VF 필터(VF Filter Leakage) 알고리즘은 특이도(Specificity)가 높다는 장점이 있지만, 심실빈맥(Ventricular tachycardia, VT)에 대한 위음성(False Negative. FN)이 높다는 단점이 있다.- The VF filter (VF Filter Leakage) algorithm has the advantage of high specificity, but has a disadvantage in that the false negative (FN) for ventricular tachycardia (VT) is high.

- 위상 공간 재구성(Phase Space Reconstruction, PSR) 알고리즘과 힐베르트 변환(Hilbert Transform) 알고리즘은 민감도(Sensitivity)가 높고, 정상 심장 박동(Normal sinus rhythm. NSR)에 대한 참음성(True Negative. TN)이 높으나, ECG 신호의 진폭이 0.1mV인 심장 리듬의 경우에는 충격이 필요 없는데 충격성 심장 리듬으로 틀리게 판정하는 위양성(False Positive. FP)이 높다는 단점이 있다.- The Phase Space Reconstruction (PSR) algorithm and the Hilbert Transform algorithm have high sensitivity and high True Negative TN for normal sinus rhythm (NSR). , A heart rhythm with an ECG signal amplitude of 0.1 mV does not require a shock, but has a disadvantage in that false positives (FP), which are incorrectly judged as shock heart rhythms, are high.

- QRS 복합체 식별 알고리즘을 기계학습에 사용하면 특이도(Specificity)가 높다는 장점이 있지만, 민감도(Sensitivity) 특히 심실빈맥(Ventricular tachycardia, VT)에 위양성(False Positive. FP)이 높다는 단점이 있다.- When the QRS complex identification algorithm is used for machine learning, it has the advantage of high specificity, but it has the disadvantage of high sensitivity, especially false positive (FP) for ventricular tachycardia (VT).

등록특허 제10-2143705호(자동심장충격기의 패드 부착 안내시스템 및 그 부착 안내방법)Registered Patent No. 10-2143705 (Attachment guide system for automatic defibrillators and a guide method for attaching the same)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 자동심장충격기의 심전도 분석을 딥러닝(Deep Learning)을 이용한 기계학습(Machine Learning)을 통해, 실제 적용되는 자동심장충격기의 충격(Shock)과 비충격(No-Shock)의 판단이 정확하게 이루어지도록 하여 전기충격이 필요한 환자에게만 전기충격이 이루어지도록 하고, ECG신호의 특징 추출이 좀 더 복합적으로 이루어지도록 하여 기계학습 결과를 신뢰할 수 있는 인공지능 기반 자동심장충격기용 복합 ECG특징 추출 방식의 심전도 분석 및 적용 방법을 제공함에 목적을 두고 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and the electrocardiogram analysis of the automatic defibrillator is actually applied through machine learning using deep learning, shock of the automatic defibrillator. An artificial intelligence that can make the judgment of and no-shock accurate so that only the patient who needs an electric shock can receive the electric shock, and make the feature extraction of the ECG signal more complex so that the machine learning results can be trusted The purpose of this study is to provide an electrocardiogram analysis and application method of a complex ECG feature extraction method for an automatic defibrillator.

본 발명은 ECG데이터 저장소, 제1ECG특징 추출부, ECG기계학습부로 구성되는 기계학습용 컴퓨터 장치 및 이와 연결되고 심전도 측정부, 제2ECG특징 추출부, ECG 인공지능 엔진으로 구성되는 자동심장충격기로 이루어진 시스템의 인공지능 기반 자동심장충격기용 심전도 분석 및 적용 방법에 있어서, ECG데이터를 수집하여 기계학습용 컴퓨터 장치의 ECG데이터 저장소에 저장하는 단계(S1)와, 상기 저장된 ECG데이터를 조각단위로 쪼개어 데이터 세트를 만드는 단계(S2)와, 상기 데이터 세트의 각 조각마다 심장리듬의 타입을 기록하는 형태로 1차 라벨링을 하고, 1차 라벨링된 조각마다 심장충격 여부를 기록하는 2차 라벨링 단계(S3)와, 상기 라벨링된 데이터 세트에 디지털 필터를 적용하여 노이즈를 제거하는 단계(S4)와, 상기 디지털 필터가 적용된 데이터 세트에서 ECG신호를 분석하여 특징을 추출하는 단계(S5)와, 상기 ECG신호의 특징이 추출된 학습용 데이터 세트를 입력값으로 하고, 2차 라벨링된 심장충격 여부를 분류 결과로 설정하여 지도학습 방식과 심층신경망(DNN)으로 딥러닝을 수행하는 ECG기계학습 단계(S6)와, 상기 ECG기계학습을 통해 만들어진 신경망 구조, 활성화 함수, 가중치와 같은 인공지능 모델을 이용해서 ECG신호의 특징이 추출된 테스트용 데이터 세트를 입력값으로 하고, 2차 라벨링된 심장충격 여부를 분류 결과로 설정하여 ECG기계학습 테스트를 진행하는 단계(S7)와, 상기 디지털 필터, ECG신호 분석 후 추출, ECG 기계학습 테스트 결과와 1차 라벨링된 심장리듬 데이터 세트를 이용하여 인공지능 기반 ECG 분석 성능을 평가하는 단계(S8)와, 상기 평가된 인공지능 기반 ECG 분석 성능 평가를 통해 최종적으로 선택된 신경망 구조, 활성화 함수, 가중치, 충격 판정 임계값을 포함하는 ECG 분석 인공지능 모델과 디지털 필터, ECG 특징 추출 알고리즘을 자동심장충격기에 동일하게 적용하는 단계(S9);로 이루어지고, 상기 ECG신호를 분석하여 특징을 추출하는 단계(S5)에서는 복수의 알고리즘을 통해 ECG신호의 특징을 추출하는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a machine learning computer device comprising an ECG data storage, a first ECG feature extracting unit, and an ECG machine learning unit, and an automatic defibrillator connected thereto and comprising an electrocardiogram measuring unit, a second ECG feature extracting unit, and an ECG artificial intelligence engine. In the AI-based electrocardiogram analysis and application method for an automatic defibrillator, the method comprises: collecting ECG data and storing it in an ECG data storage of a computer device for machine learning (S1); Creating a step (S2), performing primary labeling in the form of recording the type of cardiac rhythm for each piece of the data set, and a second labeling step (S3) of recording whether or not a heart shock is present for each of the first labeled pieces; removing noise by applying a digital filter to the labeled data set (S4), analyzing the ECG signal from the data set to which the digital filter is applied and extracting features (S5); ECG machine learning step (S6) of performing deep learning with a supervised learning method and deep neural network (DNN) by using the extracted training data set as an input value and setting the secondary labeled heart shock as a classification result, and the ECG Using an artificial intelligence model such as neural network structure, activation function, and weight created through machine learning, a test data set from which ECG signal characteristics are extracted is an input value, and secondary labeled cardiac shock is set as the classification result. Conducting ECG machine learning test (S7), and evaluating the AI-based ECG analysis performance using the digital filter, extraction after ECG signal analysis, ECG machine learning test results, and the primary labeled heart rhythm data set (S8) and the ECG analysis artificial intelligence model including the neural network structure, activation function, weight, and shock determination threshold finally selected through the evaluated AI-based ECG analysis performance evaluation, digital filter, and ECG feature extraction algorithm automatically The same applies to the defibrillator (S9); and by analyzing the ECG signal, In the step of extracting the features (S5), it is characterized in that the features of the ECG signal are extracted through a plurality of algorithms.

또한 상기 ECG데이터 저장소에 저장하는 단계(S1)에서 수집되는 ECG데이터는 환자로부터 얻어진 실제 ECG데이터와 전자신호를 합성하여 만든 전자합성 ECG데이터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the ECG data collected in the step (S1) of storing the ECG data storage is characterized in that it consists of the electronically synthesized ECG data made by synthesizing the actual ECG data and electronic signals obtained from the patient.

또한 상기 ECG데이터 저장소에 저장하는 단계(S1)에서 ECG데이터는 자동심장충격기의 심전도 측정부와 같은 샘플링 주파수로 변경하여 저장하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the step (S1) of storing the ECG data storage, the ECG data is changed to the same sampling frequency as the electrocardiogram measuring unit of the automatic defibrillator and stored.

또한 상기 조각단위로 쪼개어 데이터 세트를 만드는 단계(S2)에서 자동심장충격기의 ECG 인공지능 엔진이 분석 가능한 조각단위로 쪼개는 것을 특징으로 한다.In addition, in the step (S2) of creating a data set by dividing it into pieces, the ECG artificial intelligence engine of the AED divides the data into pieces that can be analyzed.

또한 상기 조각단위로 쪼개어 데이터 세트를 만드는 단계(S2)에서 데이터 세트는 지도학습 방법으로 딥러닝을 위한 학습용 데이터 세트와 기계학습 테스트를 위한 테스트용 데이터 세트로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, in the step (S2) of creating a data set by dividing the pieces into pieces, the data set is a supervised learning method, characterized in that it consists of a learning data set for deep learning and a test data set for a machine learning test.

또한 상기 ECG신호를 분석하여 특징을 추출하는 단계(S5)에서 적용되는 알고리즘은 TCSC: 임계 교차 샘플 수(Threshold Crossing Sample Count) 알고리즘, VFLEAK: VF 필터(VF Filter Leakage) 알고리즘, PSR: 위상 공간 재구성(Phase Space Reconstruction) 알고리즘, HILB: 힐베르트 변환(Hilbert Transform) 알고리즘, bWT/bCP/bW: QRS 복합체 식별 알고리즘 중에서 적어도 2개 이상의 알고리즘 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the algorithm applied in the step (S5) of extracting features by analyzing the ECG signal is TCSC: Threshold Crossing Sample Count algorithm, VFLEAK: VF Filter Leakage algorithm, PSR: Phase space reconstruction (Phase Space Reconstruction) algorithm, HILB: Hilbert Transform algorithm, bWT/bCP/bW: QRS complex identification algorithm characterized in that it consists of a combination of at least two or more algorithms.

본 발명은 ECG신호를 이용한 기계학습(Machine Learning)을 통해 실제 적용되는 자동심장충격기의 충격(Shock)과 비충격(No-Shock)의 판단 정확도를 높이도록 한 효과가 있고, ECG신호의 특징 추출이 좀 더 복합적으로 이루어지도록 하여 종래의 단순 알고리즘에 비해 높은 정확도의 ECG 특징 추출로 기계학습 결과 및 자동심장충격기의 판단결과를 신뢰할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of increasing the accuracy of the determination of shock and non-shock of an automatic defibrillator that is actually applied through machine learning using ECG signals, and extracting features of ECG signals By making this more complex, the ECG feature extraction with higher accuracy compared to the conventional simple algorithm has the effect of trusting the machine learning results and the judgment results of the AED.

도 1은 본 발명의 인공지능 기반 자동심장충격기용 심전도 분석 및 적용 방법에서 기계학습용 컴퓨터 장치와 자동심장충격기의 연결 구성을 나타낸 도면
도 2은 본 발명의 인공지능 기반 자동심장충격기용 심전도 분석 및 적용 방법을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 인공지능 기반 자동심장충격기용 심전도 분석 및 적용 방법의 과정을 나타낸 흐름도
도 4는 본 발명에 적용되는 ECG추출 알고리즘 중에서 위상 공간 재구성(Phase Space Reconstruction) 알고리즘을 이용해 만들어낸 2차원 위상 공간도
도 5는 본 발명에 적용되는 ECG추출 알고리즘 중에서 힐베르트 변환(Hilbert Transform) 알고리즘을 이용해 만들어낸 2차원 위상 공간도
도 6은 본 발명에서 딥러닝 방법을 나타낸 흐름도
1 is a diagram showing the connection configuration of a computer device for machine learning and an automatic defibrillator in the method for analyzing and applying an electrocardiogram for an artificial intelligence-based automatic defibrillator according to the present invention;
2 is a view showing an electrocardiogram analysis and application method for an artificial intelligence-based automatic defibrillator of the present invention;
3 is a flowchart showing the process of an electrocardiogram analysis and application method for an artificial intelligence-based automatic defibrillator according to the present invention;
4 is a two-dimensional phase space diagram created using a phase space reconstruction algorithm among the ECG extraction algorithms applied to the present invention.
5 is a two-dimensional phase space diagram created using the Hilbert Transform algorithm among the ECG extraction algorithms applied to the present invention.
6 is a flowchart showing a deep learning method in the present invention

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. In the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 ECG데이터 저장소(110), 제1ECG특징 추출부(120), ECG기계학습부(130)로 구성되는 기계학습용 컴퓨터 장치(100) 및 이와 연결되고 심전도 측정부(210), 제2ECG특징 추출부(220), ECG 인공지능 엔진(230)으로 구성되는 자동심장충격기(200)로 이루어진 시스템의 인공지능 기반 자동심장충격기용 심전도 분석 및 적용 방법에 관한 기술이다.The present invention provides a machine learning computer device 100 comprising an ECG data storage 110, a first ECG feature extraction unit 120, and an ECG machine learning unit 130, and an electrocardiogram measuring unit 210 connected thereto, and a second ECG feature This is a technology related to an AI-based ECG analysis and application method for an AI-based automatic defibrillator in a system consisting of an automatic defibrillator 200 consisting of an extraction unit 220 and an ECG artificial intelligence engine 230 .

상기 기계학습용 컴퓨터 장치(100)는 다양한 ECG데이터가 저장되는 ECG데이터 저장소(110), 특정 알고리즘을 통해 ECG의 특징을 추출하는 제1ECG특징 추출부(120), 학습용 데이터와 테스트용 데이터를 이용한 딥러닝을 수행하는 ECG기계학습부(130)로 구성된다.The computer device for machine learning 100 includes an ECG data storage 110 in which various ECG data is stored, a first ECG feature extraction unit 120 that extracts ECG features through a specific algorithm, and a deep learning data and test data. It consists of an ECG machine learning unit 130 that performs running.

그리고 상기 자동심장충격기(200)는 실제 환자의 심전도를 측정하는 심전도 측정부(210), 이미 입력된 알고리즘을 통해 ECG 특징을 추출하는 제2ECG특징 추출부(220), ECG 기계학습을 통해 생성된 ECG 인공지능 모델을 기반으로 ECG특징을 분석하여 심장충격 여부를 판단하는 ECG 인공지능 엔진(230)으로 구성된다.In addition, the automatic defibrillator 200 includes an electrocardiogram measuring unit 210 that measures an actual patient's electrocardiogram, a second ECG feature extracting unit 220 that extracts ECG characteristics through an already input algorithm, and ECG machine learning generated through It consists of an ECG artificial intelligence engine 230 that analyzes ECG characteristics based on the ECG artificial intelligence model and determines whether or not the heart is in shock.

본 발명은 ECG데이터 저장소에 저장된 ECG데이터를 이용하여 기계학습용 컴퓨터 장치에서 기계학습을 수행한 다음 그 최종 결과값인 알고리즘과 ECG 분석 인공지능 모델을 자동심장충격기에 적용하는 기술로서, 기계학습의 모든 과정이 기계학습용 컴퓨터 장치에서 이루어진다. 상기 기계학습용 컴퓨터 장치는 노트북, 데스크톱, 슈퍼컴퓨터, 서버, 개인 단말기와 같이 자동연산 기능을 할 수 있는 기계장치를 포함할 수 있다.The present invention is a technology for performing machine learning in a computer device for machine learning using ECG data stored in the ECG data storage, and then applying an algorithm and ECG analysis artificial intelligence model, which is the final result, to an automatic defibrillator. The process takes place in a computer device for machine learning. The computer device for machine learning may include a mechanical device capable of performing an automatic calculation function, such as a notebook computer, a desktop computer, a supercomputer, a server, and a personal terminal.

그리고 기계학습용 컴퓨터 장치는 단일 구성으로 이루어져 모든 과정을 수행할 수 있으나, 복수로 구성되어 각 단계별로 서로다른 기계학습용 컴퓨터 장치가 처리할 수 있다.In addition, the computer device for machine learning consists of a single configuration so that all processes can be performed, but since it is configured in plurality, different computer devices for machine learning can process each step.

이러한 본 발명의 구체적인 방법은 도 2에 도시한 바와 같이 ECG데이터를 수집하여 기계학습용 컴퓨터 장치의 ECG데이터 저장소에 저장하는 단계(S1)와, 상기 저장된 ECG데이터를 조각단위로 쪼개어 데이터 세트를 만드는 단계(S2)와, 상기 데이터 세트의 각 조각마다 심장리듬의 타입을 기록하는 형태로 1차 라벨링을 하고, 1차 라벨링된 조각마다 심장충격 여부를 기록하는 2차 라벨링 단계(S3)와, 상기 라벨링된 데이터 세트에 디지털 필터를 적용하여 노이즈를 제거하는 단계(S4)와, 상기 디지털 필터가 적용된 데이터 세트에서 ECG신호를 분석하여 특징을 추출하는 단계(S5)와, 상기 ECG신호의 특징이 추출된 학습용 데이터 세트를 입력값으로 하고, 2차 라벨링된 심장충격 여부를 분류 결과로 설정하여 지도학습 방식과 심층신경망(DNN)으로 딥러닝을 수행하는 ECG기계학습 단계(S6)와, 상기 ECG기계학습을 통해 만들어진 신경망 구조, 활성화 함수, 가중치와 같은 인공지능 모델을 이용해서 ECG신호의 특징이 추출된 테스트용 데이터 세트를 입력값으로 하고, 2차 라벨링된 심장충격 여부를 분류 결과로 설정하여 ECG기계학습 테스트를 진행하는 단계(S7)와, 상기 디지털 필터, ECG신호 분석 후 추출, ECG 기계학습 테스트 결과와 1차 라벨링된 심장리듬 데이터 세트를 이용하여 인공지능 기반 ECG 분석 성능을 평가하는 단계(S8)와, 상기 평가된 인공지능 기반 ECG 분석 성능 평가를 통해 최종적으로 선택된 신경망 구조, 활성화 함수, 가중치, 충격 판정 임계값을 포함하는 ECG 분석 인공지능 모델과 디지털 필터, ECG 특징 추출 알고리즘을 자동심장충격기에 동일하게 적용하는 단계(S9);로 이루어지고,As shown in FIG. 2, the specific method of the present invention includes the steps of collecting ECG data and storing it in an ECG data storage of a computer device for machine learning (S1), and creating a data set by dividing the stored ECG data into pieces (S2) and a secondary labeling step (S3) of performing primary labeling in the form of recording the type of cardiac rhythm for each piece of the data set, and recording whether or not cardiac shock is present for each of the first labeled fragments (S3), the labeling removing noise by applying a digital filter to the data set (S4), analyzing the ECG signal from the data set to which the digital filter is applied and extracting features (S5); ECG machine learning step (S6) of performing deep learning with a supervised learning method and deep neural network (DNN) by using a training data set as an input value and setting the secondary labeled heart shock as a classification result, and the ECG machine learning Using an artificial intelligence model such as neural network structure, activation function, and weight created through Conducting a learning test (S7) and evaluating the AI-based ECG analysis performance using the digital filter, extraction after analysis of the ECG signal, the ECG machine learning test result and the primary labeled heart rhythm data set (S8) ) and the ECG analysis AI model including the neural network structure, activation function, weight, and shock determination threshold finally selected through the evaluated AI-based ECG analysis performance evaluation, digital filter, and ECG feature extraction algorithm to the automatic defibrillator A step of applying the same to (S9); consists of,

상기 ECG신호를 분석하여 특징을 추출하는 단계(S5)에서는 복수의 알고리즘을 통해 ECG신호의 특징을 추출하는 것을 특징으로 한다.In the step (S5) of analyzing the ECG signal and extracting the features, it is characterized in that the features of the ECG signal are extracted through a plurality of algorithms.

상기 ECG데이터 저장소에 저장하는 단계(S1)에서 수집되는 ECG데이터는 도 3에 도시한 바와 같이 환자로부터 얻어진 실제 ECG데이터와 전자신호를 합성하여 만든 전자합성 ECG데이터로 이루어게 된다.The ECG data collected in the step (S1) of storing the ECG data storage consists of electronically synthesized ECG data made by synthesizing the actual ECG data and electronic signals obtained from the patient as shown in FIG. 3 .

여기서 실제 ECG데이터는 병원과 같은 곳에서 실제 환자를 대상으로 수집한 ECG데이터와 전임상 시험을 통해 수집한 ECG데이터로 적용될 수 있는데, 이때 수집한 ECG데이터 중에서 ECG 채널이 Lead-II가 아닌 데이터이거나, 잡음이 심해서 충격 여부를 판정할 수 없는 ECG데이터이거나, ECG신호가 포화한 데이터는 기계학습에 사용될 수 없기 때문에 제외한다.Here, the actual ECG data can be applied to the ECG data collected from real patients in a hospital, etc. and the ECG data collected through preclinical trials. Excludes ECG data that is too noisy to determine whether an impact is present or data in which the ECG signal is saturated because it cannot be used for machine learning.

이렇게 수집한 ECG데이터는 샘플링 주파수, 데이터 형식, 신호 단위가 각각 다르므로 적용할 자동심장충격기의 심전도 측정부와와 같은 규격으로 변환해야한다. 즉, 기계학습 모델을 적용할 자동심장충격기의 아날로그-디지털 변환기(Analog-Digital Converter)와 같은 샘플링 주파수로 변환하고, ECG신호는 nV 단위 정수형(Integer)으로 변환한다.Since the ECG data collected in this way has different sampling frequency, data format, and signal unit, it must be converted to the same standard as the ECG measurement unit of the AED to be applied. That is, it is converted to the same sampling frequency as the analog-digital converter of the automatic defibrillator to which the machine learning model is applied, and the ECG signal is converted into nV unit integer.

상기와 같이 환자로부터 수집한 ECG데이터는 자동심장충격기가 심장리듬을 분석할 때 실제로 입력되는 ECG신호와 같으므로 학습용 데이터와 테스트용 데이터로는 적합하지만, 충격(Shock)과 비-충격(No-Shock)의 경계를 학습하기에는 부족하다. 따라서, 충격(Shock)과 비-충격(No-Shock)의 경계를 학습하기 위하여 ECG 신호를 만들어서 합성한 전자 합성 ECG데이터를 더 만드는 것이다.As described above, the ECG data collected from the patient is the same as the ECG signal that is actually input when the AED analyzes the heart rhythm, so it is suitable as learning data and test data. It is not enough to learn the boundaries of shock. Therefore, in order to learn the boundary between shock and no-shock, the ECG signal is created and synthesized to further create the synthesized electronic ECG data.

상기 전자합성 ECG데이터는 심장리듬의 파형(Waveform), 심박수(Beats Per Minute, BPM), 진폭(Amplitude)을 다양하게 조합해서 신호를 합성한다. The electronically synthesized ECG data synthesizes signals by variously combining a waveform of a heart rhythm, a heart rate (beats per minute, BPM), and an amplitude.

상기 심장리듬의 파형은 Coarse VFib, Fine VFib, Poly VTach, Mono VTach, Normal Sinus, Asystole, Multifocal PVCs, PVC1 LV R On T, PVC1 LV Early, PVC1 Left Vent, PVC2 RV R On T, PVC2 RV Early, PVC2 Right Vent, Nodal PNC, AFib, SupraVTach, Nodal Rhythm, Paroxys-mal ATach, ATach, Missed Beat, Sinus Ar-rhythmia, Atrial Flutter의 파형 특성을 조합하여 생성하게 된다.The waveform of the heart rhythm is Coarse VFib, Fine VFib, Poly VTach, Mono VTach, Normal Sinus, Asystole, Multifocal PVCs, PVC1 LV R On T, PVC1 LV Early, PVC1 Left Vent, PVC2 RV R On T, PVC2 RV Early, It is created by combining the waveform characteristics of PVC2 Right Vent, Nodal PNC, AFib, SupraVTach, Nodal Rhythm, Paroxys-mal ATach, ATach, Missed Beat, Sinus Ar-rhythmia, and Atrial Flutter.

그리고 진폭의 범위는 0.1~0.5 mV(△0.05 mV), 1~3.5 mV(△0.5 mV)으로 이루어지고, 심박수 범위는 Mono VTach가 120~300 BPM (△5 BPM), Normal Sinus은 10~360 BPM (△5 BPM)으로 이루어진다. (여기서 △는 증가 값을 의미한다)And the amplitude range is 0.1~0.5 mV (△0.05 mV), 1~3.5 mV (△0.5 mV), and the heart rate range is 120~300 BPM (△5 BPM) for Mono VTach and 10~360 for Normal Sinus. It consists of BPM (Δ5 BPM). (where △ means an increase value)

상기 조각단위로 쪼개어 데이터 세트를 만드는 단계(S2)는 변환과정을 거친 실제 ECG데이터와 새롭게 만들어진 전자합성 ECG데이터를 자동심장충격기의 ECG 인공지능 엔진이 심장리듬을 분석 가능한 작은 단위로 분할하여 데이터 세트를 만들게 된다.The step (S2) of creating a data set by dividing the data set into pieces includes dividing the actual ECG data that has undergone the conversion process and the newly created electronically synthesized ECG data into small units that the ECG artificial intelligence engine of the AED divides the heart rhythm into small units that can be analyzed. will make

본 발명의 기계학습은 지도학습(Supervised Learning)유형으로 적용되기 때문에, 상기 조각단위로 쪼개어 데이터 세트를 만드는 단계(S2)에서 데이터 세트는 딥러닝에 필요한 학습용 데이터 세트와 기계학습 테스트를 위한 테스트용 데이터 세트로 구분된다.Since the machine learning of the present invention is applied as a supervised learning type, in the step (S2) of creating a data set by dividing it into pieces, the data set is a learning data set required for deep learning and a test for machine learning test separated into data sets.

상기 학습용 데이터 세트는 전자합성 ECG데이터 전체와 수집한 ECG데이터 중에서 일부를 사용한다. 이때 학습용 데이터 세트를 구성할 때 ECG신호의 진폭이 0.1 mV 미만인 ECG 데이터는 제외한다.The training data set uses all of the electronically synthesized ECG data and a part of the collected ECG data. At this time, when composing the training data set, ECG data with an ECG signal amplitude of less than 0.1 mV is excluded.

그리고 테스트용 데이터 세트는 상기 ECG기계학습 테스트를 진행하는 단계(S7)에서 사용한다.And the test data set is used in the step (S7) of performing the ECG machine learning test.

본 발명의 라벨링 단계(S3)는 심장리듬의 타입을 기록하는 1차 라벨링과 심장충격 여부를 기록하는 2차 라벨링으로 이루어진다. 상기 1차 라벨링과 2차 라벨링은 각 데이터 세트의 각 ECG조각마다 라벨링하는 것으로서, 학습용 데이터 세트의 기계학습과 심장리듬 분석의 성능을 테스트하기 위하여 1차 및 2차 라벨링을 하게 되는 것이다.The labeling step (S3) of the present invention consists of primary labeling for recording the type of heart rhythm and secondary labeling for recording whether or not the heart is in shock. The primary and secondary labeling is to label each ECG fragment of each data set, and primary and secondary labeling is performed to test the performance of machine learning and cardiac rhythm analysis of the training data set.

상기 라벨링 단계(S3)에서 심장리듬에 해당하는 1차 라벨링은 ECG데이터베이스에 기록된 주석(Annotation), 전문가의 분석을 통해 설정한다. 즉, 1차 라벨링은 VF: 심실세동, VT: 심실빈맥, NSR: 정상 심장 박동, ASYS : 무수축, OTHER: 충격을 줄 수 없는 모든 심장 박동과 같이 총 5종류의 분류하고 해당되는 심장리듬에 맞게 선택하여 라벨링 된다.In the labeling step (S3), the primary labeling corresponding to the heart rhythm is set through annotation recorded in the ECG database and analysis by an expert. That is, the primary labeling is classified into 5 types, such as VF: ventricular fibrillation, VT: ventricular tachycardia, NSR: normal heartbeat, ASYS: asystole, OTHER: all non-shockable heartbeats, and Select and label.

상기 OTHER 항목은 심실 조기 수축(Premature ventricular contractions), 발작성 상심실성 빈맥(Supraventricular tachycardia), 동성 서맥(sinus bradycardia), 심방세동/심방조동(Atrial fibrillation/atrial flutter), 2도/3도 방실차단(Second or third-degree heart block), 가속접합리듬(Accelerated Junctional Rhythm), 심장박동기 리듬(Pacemaker Rhythm)을 포함한다.The OTHER items are: Premature ventricular contractions, Supraventricular tachycardia, sinus bradycardia, Atrial fibrillation/atrial flutter, 2nd/3rd degree atrioventricular block ( Second or third-degree heart block), Accelerated Junctional Rhythm, and Pacemaker Rhythm.

상기 데이터 세트 중에서 ECG 신호의 진폭이 0.1 mV 미만인 ECG 조각은 ASYS로 라벨링 한다. 그리고 VF와 VT로 라벨이 붙은 ECG 조각 중에서 심박수가 늦어서 비-충격(No-Shock)이면 OTHER로 라벨링 한다.In the above data set, ECG fragments with an ECG signal amplitude of less than 0.1 mV are labeled with ASYS. And among the ECG pieces labeled with VF and VT, if the heart rate is slow and non-shock, it is labeled as OTHER.

그리고 라벨링 단계(S3)에서 2차 라벨링은 1차 라벨링의 심장리듬 종류 및 조합에 따라 SHOCK 또는 NO-SHOCK로 충격여부를 라벨링 하게 된다. 즉, ECG 조각의 심장리듬에서 충격이 필요하면 충격(SHOCK), 충격이 필요하지 않으면 비-충격(NO-SHOCK)으로 라벨링 한다. 예를 들어서 VF, VT : SHOCK 로 라벨링 하거나, NSR, ASYS, OTHER : NO-SHOCK로 라벨링 하게 된다.And in the labeling step (S3), the secondary labeling is to label the shock with SHOCK or NO-SHOCK according to the heart rhythm type and combination of the primary labeling. That is, in the cardiac rhythm of the ECG fragment, if shock is required, it is labeled as shock (SHOCK), and if shock is not required, it is labeled as non-shock (NO-SHOCK). For example, VF, VT: SHOCK is labeled, or NSR, ASYS, OTHER: NO-SHOCK is labeled.

이렇게 라벨링이 완료된 데이터 세트는 상기 노이즈를 제거하는 단계(S4)를 통해 디지털 필터(Digital Filter)를 적용하게 된다. 상기 디지털 필터는 ECG신호의 잡음을 제거하고 신호를 원활하게 분석할 수 있도록 한 필터이다. 상기 디지털 필터의 적용 순서는 다음과 같다.A digital filter is applied to the labeled data set through the step (S4) of removing the noise. The digital filter is a filter that removes noise from the ECG signal and allows the signal to be smoothly analyzed. The application sequence of the digital filter is as follows.

첫째, 데이터 세트에서 nV급 정수형 ECG 신호를 mV급 부동소수점(Floating-point)으로 변환한다. 둘째, 기저선 변동 잡음(Baseline Wander), 전력선 간섭 잡음(Power-line Interference)을 제거하고 ECG 신호를 쉽게 분석할 수 있도록 대역 통과 필터(Band-Pass Filter)를 적용한다. 셋째, 필요에 따라서는 이동 평균 필터(Mov-mean Filter)를 적용할 수 있다.First, it converts nV-class integer-type ECG signals into mV-class floating-point in the data set. Second, a band-pass filter is applied to remove baseline wander and power-line interference and to easily analyze ECG signals. Third, if necessary, a moving average filter may be applied.

상기 데이터 세트의 주파수, 필터 차수, 적용하는 디지털 필터의 종류에 따른 디지털 필터 조합에 따라 기계학습의 결과가 달라진다. 따라서 기계학습의 평가를 통해 최적의 디지털 필터의 조합을 선택해야 하며, 똑같은 성능을 얻기 위해서는 선택한 디지털 필터의 조합과 같게 자동심장충격기에 적용한다.The result of machine learning varies according to the digital filter combination according to the frequency of the data set, the filter order, and the type of digital filter to be applied. Therefore, it is necessary to select the optimal digital filter combination through machine learning evaluation, and to obtain the same performance, it is applied to the AED in the same way as the selected digital filter combination.

본 발명은 상기 ECG신호를 분석하여 특징을 추출하는 단계(S5)에서 복수의 추출 알고리즘을 이용하여 디지털 필터를 적용한 데이터 세트에서 ECG신호를 분석해서 특징 추출(Feature extraction)을 추출하게 된다.In the present invention, in the step (S5) of analyzing the ECG signal and extracting the features, the ECG signal is analyzed from the data set to which the digital filter is applied using a plurality of extraction algorithms to extract feature extraction.

상기 ECG신호를 분석하여 특징을 추출하는 단계(S5)에서 적용되는 알고리즘은 TCSC: 임계 교차 샘플 수(Threshold Crossing Sample Count) 알고리즘, VFLEAK: VF 필터(VF Filter Leakage) 알고리즘, PSR: 위상 공간 재구성(Phase Space Reconstruction) 알고리즘, HILB: 힐베르트 변환(Hilbert Transform) 알고리즘, bWT/bCP/bW: QRS 복합체 식별 알고리즘 중에서 적어도 2개 이상의 알고리즘 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The algorithm applied in the step (S5) of extracting features by analyzing the ECG signal is TCSC: Threshold Crossing Sample Count algorithm, VFLEAK: VF Filter Leakage algorithm, PSR: Phase space reconstruction ( Phase Space Reconstruction) algorithm, HILB: Hilbert Transform algorithm, bWT/bCP/bW: QRS complex identification algorithm, characterized in that it consists of a combination of at least two or more algorithms.

상기 알고리즘의 바람직한 조합으로는 아래에 나타낸 바와 같이, QRS 복합체 식별 알고리즘과 심장충격기의 충격리듬 판정 알고리즘이 복합적으로 사용되는 것이 바람직하다.As a preferred combination of the algorithms, as shown below, it is preferable that the QRS complex identification algorithm and the shock rhythm determination algorithm of the defibrillator are used in combination.

- bCP, bWT, bW, PSR- bCP, bWT, bW, PSR

- bCP, bWT, bW, HILB- bCP, bWT, bW, HILB

- bCP, bWT, bW, VFLEAK, PSR- bCP, bWT, bW, VFLEAK, PSR

- bCP, bWT, bW, VFLEAK, HILB- bCP, bWT, bW, VFLEAK, HILB

- bCP, bWT, bW, TCSC, HILB- bCP, bWT, bW, TCSC, HILB

- bCP, bWT, bW, TCSC, PSR- bCP, bWT, bW, TCSC, PSR

- bCP, bWT, bW, PSR, HILB- bCP, bWT, bW, PSR, HILB

- bCP, bWT, bW, VFLEAK, TCSC, HILB- bCP, bWT, bW, VFLEAK, TCSC, HILB

- bCP, bWT, bW, VFLEAK, TCSC, PSR- bCP, bWT, bW, VFLEAK, TCSC, PSR

- bCP, bWT, bW, VFLEAK, PSR, HILB- bCP, bWT, bW, VFLEAK, PSR, HILB

- bCP, bWT, bW, TCSC, PSR, HILB- bCP, bWT, bW, TCSC, PSR, HILB

본 발명은 상기와 같이 bWT/bCP/bW: QRS 복합체 식별 알고리즘이 반드시 포함되는 메인 알고리즘으로 사용되고, 나머지 TCSC: 임계 교차 샘플 수(Threshold Crossing Sample Count) 알고리즘, VFLEAK: VF 필터(VF Filter Leakage) 알고리즘, PSR: 위상 공간 재구성(Phase Space Reconstruction) 알고리즘, HILB: 힐베르트 변환(Hilbert Transform) 알고리즘은 보조 알고리즘으로서 다양하게 조합될 수 있다.As described above, in the present invention, bWT/bCP/bW: QRS complex identification algorithm is used as the main algorithm, the remaining TCSC: Threshold Crossing Sample Count algorithm, VFLEAK: VF filter (VF Filter Leakage) algorithm , PSR: Phase Space Reconstruction Algorithm, HILB: Hilbert Transform Algorithm may be variously combined as auxiliary algorithms.

상기와 같이 QRS 복합체 식별 알고리즘을 메인 알고리즘으로 적용하는 이유는 QRS 복합체 식별 알고리즘이 가장 비충격 진단률에 해당하는 특이도가 높기 때문이다. 그리고 QRS 복합체 식별 알고리즘의 단점에 해당하는 심실빈맥(VT)의 위양성이 높게 판정되는 점을 다른 보조 알고리즘을 통해 보완할 수 있게 되는 것이다.The reason for applying the QRS complex identification algorithm as the main algorithm as described above is that the QRS complex identification algorithm has the highest specificity corresponding to the non-impact diagnosis rate. In addition, the fact that the false positive of ventricular tachycardia (VT), which is a disadvantage of the QRS complex identification algorithm, is determined to be high, can be supplemented through other auxiliary algorithms.

이와 같이 다양한 알고리즘의 조합이 적용될 수 있는데, 알고리즘 조합의 선택은 후술하는 기계학습을 거치고 나서 민감도(Sensitivity)와 특이도(Specificity)가 높은 조합으로 선택한다.As described above, various combinations of algorithms can be applied, and the combination of algorithms is selected as a combination having high sensitivity and specificity after undergoing machine learning to be described later.

아래에는 ECG신호를 분석하여 특징을 추출하는 단계(S5)에서 적용되는 각각의 알고리즘을 상세히 설명하고자 한다.Below, each algorithm applied in the step (S5) of extracting features by analyzing the ECG signal will be described in detail.

(1) TCSC: 임계 교차 샘플 수(Threshold Crossing Sample Count) 알고리즘(1) TCSC: Threshold Crossing Sample Count Algorithm

상기 임계 교차 샘플 수(Threshold Crossing Sample Count) 알고리즘은 시간 도메인에서 작동하며, 심전도 신호가 특정 임계값을 벗어난 상태로 유지되는 시간의 백분율을 기반으로 한다. TCSC에서 심전도 세그먼트(Segment)는 세그먼트 테두리의 값을 줄이는 특수 코사인 윈도(Window)를 거친다. The Threshold Crossing Sample Count algorithm operates in the time domain and is based on the percentage of time the ECG signal remains outside a certain threshold. In TCSC, an electrocardiogram segment (Segment) goes through a special cosine window that reduces the value of the segment edge.

그런 다음 세그먼트의 절대 최대값에 따라 달라지는 사전 정의된 임계값

Figure 112022031766876-pat00001
을 초과하는 정규화된 심전도 샘플 수를 계산하여 시간을 계산한다.Then a predefined threshold that depends on the absolute maximum of the segment.
Figure 112022031766876-pat00001
Calculate the time by counting the number of normalized ECG samples exceeding

TCSC 알고리즘 순서는 다음과 같다.The TCSC algorithm sequence is as follows.

먼저, 각 ECG 세그먼트에서 코사인 윈도가 곱해진다. 여기서 윈도인 w(t)는 다음과 같은 식으로 정의된다. First, each ECG segment is multiplied by a cosine window. Here, the window w(t) is defined in the following way.

Figure 112022031766876-pat00002
Figure 112022031766876-pat00002

여기서

Figure 112022031766876-pat00003
은 3초 ECG 세그먼트의 길이를 의미한다.here
Figure 112022031766876-pat00003
denotes the length of the 3-second ECG segment.

그리고 윈도(Window)가 설정된 심전도 신호는 세그먼트의 절대 최대값(Absolute Maximum)으로 정규화 한다.And the ECG signal with the window set is normalized to the absolute maximum value of the segment.

그 다음 정규화된 ECG 신호는 각 데이터 샘플

Figure 112022031766876-pat00004
Figure 112022031766876-pat00005
을 비교해서 0과 1의 이진(Binary) 신호인
Figure 112022031766876-pat00006
(여기서 n은 데이터 포인트 수)로 변환한다. 여기서
Figure 112022031766876-pat00007
이면
Figure 112022031766876-pat00008
이 되고, 아니면
Figure 112022031766876-pat00009
이 된다.The normalized ECG signal is then generated for each data sample.
Figure 112022031766876-pat00004
class
Figure 112022031766876-pat00005
is a binary signal of 0 and 1 by comparing
Figure 112022031766876-pat00006
(where n is the number of data points). here
Figure 112022031766876-pat00007
back side
Figure 112022031766876-pat00008
be this, or
Figure 112022031766876-pat00009
becomes this

그리고

Figure 112022031766876-pat00010
을 교차하는 데이터 샘플의 백분율인
Figure 112022031766876-pat00011
은 이진수열
Figure 112022031766876-pat00012
에서 1초 수를 세어서 구한다.
Figure 112022031766876-pat00013
은 백분율로 다음과 같이 구한다.and
Figure 112022031766876-pat00010
is the percentage of data samples that intersect
Figure 112022031766876-pat00011
is a binary sequence
Figure 112022031766876-pat00012
is obtained by counting the number of seconds in
Figure 112022031766876-pat00013
is obtained as a percentage as follows.

Figure 112022031766876-pat00014
Figure 112022031766876-pat00014

그다음 모든

Figure 112022031766876-pat00015
ECG 에피소드
Figure 112022031766876-pat00016
에 대해 1-초 단계로
Figure 112022031766876-pat00017
개의 연속 3초 데이터 세그먼트에서 얻은
Figure 112022031766876-pat00018
Figure 112022031766876-pat00019
연속 값을 평균화해서 최종값을 결정한다.
Figure 112022031766876-pat00020
에피소드의 평균값으로 TCSC를 구하는 공식은 다음과 같다.then all
Figure 112022031766876-pat00015
ECG episode
Figure 112022031766876-pat00016
about in 1-second steps
Figure 112022031766876-pat00017
obtained from three consecutive 3 second data segments.
Figure 112022031766876-pat00018
silver
Figure 112022031766876-pat00019
The final value is determined by averaging the successive values.
Figure 112022031766876-pat00020
The formula for calculating the TCSC as the average value of the episodes is as follows.

Figure 112022031766876-pat00021
Figure 112022031766876-pat00021

여기서

Figure 112022031766876-pat00022
Figure 112022031766876-pat00023
번째 3초 단계의
Figure 112022031766876-pat00024
값을 의미한다.here
Figure 112022031766876-pat00022
Is
Figure 112022031766876-pat00023
in the second 3 second step
Figure 112022031766876-pat00024
means value.

(2) VFLEAK: VF 필터(VF Filter Leakage) 알고리즘(2) VFLEAK: VF Filter Leakage Algorithm

상기 VF 필터(VF Filter Leakage) 알고리즘은 주파수 영역 분석을 이용하여 특징을 추출한다. 이는 충격(Shock) 리듬이 비-충격(No-Shock) 리듬보다 정형파에 가까운 리듬이라는 정보를 기반으로 한다.The VF filter (VF Filter Leakage) algorithm extracts features using frequency domain analysis. This is based on the information that the shock rhythm is closer to a square wave than the no-shock rhythm.

상기 VF 필터(VF Filter Leakage) 알고리즘은 먼저 아래의 식을 통해 평균주기 T를 찾는다. The VF filter (VF filter leak) algorithm first finds the average period T through the following equation.

Figure 112022031766876-pat00025
Figure 112022031766876-pat00025

세그먼트의 평균 주기(T)를 알면 아래의 식을 사용해서 협대역 필터(Narrowband Filter)를 적용할 수 있으며 VFLEAK매개 변수를 구한다If you know the average period (T) of a segment, you can apply a narrowband filter using the equation below and get the VFLEAK parameter.

Figure 112022031766876-pat00026
Figure 112022031766876-pat00026

(3) PSR: 위상 공간 재구성(Phase Space Reconstruction) 알고리즘(3) PSR: Phase Space Reconstruction Algorithm

상기 위상 공간 재구성(Phase Space Reconstruction) 알고리즘은 시간 지연(Time-Delay) 알고리즘 방법으로 위상 공간을 재구성하는 데 사용한 방법을 기반으로 한다. 일반적으로 동적 법칙이나 무작위 신호를 분석하는 방법에 사용한다.The phase space reconstruction algorithm is based on a method used to reconstruct the phase space with a time-delay algorithm method. In general, it is used for methods of analyzing dynamic laws or random signals.

신호

Figure 112022031766876-pat00027
는 다음과 같은 방식으로 표시한다. 먼저 x축은
Figure 112022031766876-pat00028
, y축은
Figure 112022031766876-pat00029
로 표시한다. (여기서 τ는 시간상수를 의미한다) 이러한 표시 방식을 2차원 위상 공간도(Two Dimensional Phase Space Diagram)이라 하며, 도 4에 도시한 바와 같다. signal
Figure 112022031766876-pat00027
is displayed in the following way. First, the x-axis is
Figure 112022031766876-pat00028
, the y-axis is
Figure 112022031766876-pat00029
indicated as (Where τ means a time constant) This display method is called a two-dimensional phase space diagram, as shown in FIG. 4 .

일반적으로 심실세동(Ventricular fibrillation, VF) 신호는 다이어그램에서 곡선을 만들면서 불규칙한 방식으로 영역을 채운다. 곡선은 전체 다이어그램에 걸쳐 거의 균일하게 분포한다. 그러나 정상적인 동 리듬(Sinus Rhythm, SR)은 위상 공간 다이어그램의 곡선은 정규 구조(Regular Structure)로 나타내며, 영역의 작은 부분만 채워지고, 곡선은 제한된 영역으로 집중된다Typically, the ventricular fibrillation (VF) signal fills the region in an irregular fashion, creating a curve in the diagram. The curve is distributed almost uniformly over the entire diagram. However, in normal sinus rhythm (Sinus Rhythm, SR), the curve of the phase space diagram is represented by a regular structure, only a small part of the area is filled, and the curve is concentrated into a limited area.

PSR은 곡선으로 채워진 그림의 영역으로 구한다. 40 * 40개의 그리드 안에서 ECG 신호로 표시된 상자(Box)를 계산한다. PSR 계산 방법은 아래의 식에 의해 이루어진다.The PSR is found as the area of the figure filled with curves. In a grid of 40 * 40, count the boxes marked with ECG signals. The PSR calculation method is made by the following equation.

Figure 112022031766876-pat00030
Figure 112022031766876-pat00030

(4) HILB: 힐베르트 변환(Hilbert Transform) 알고리즘(4) HILB: Hilbert Transform Algorithm

상기 힐베르트 변환(Hilbert Transform) 알고리즘은 비선형 신호(Nonlinear Signals)를 분석하는 방법을 기반으로 한다. 실제 신호(Real Signal)

Figure 112022031766876-pat00031
에서 복소수 신호(Complex Valued Signal)
Figure 112022031766876-pat00032
Figure 112022031766876-pat00033
식으로 구한다.(여기서
Figure 112022031766876-pat00034
Figure 112022031766876-pat00035
의 힐베르트 변환을 의미한다) 그렇게 되면
Figure 112022031766876-pat00036
와 같은 식이 성립되는데, 보통 힐베트르 변환은
Figure 112022031766876-pat00037
를 계산하는 데 사용한다. 따라서 2차원 위상 공간 그림은 다음과 같은 방법으로 만든다. x축에 심전도 신호
Figure 112022031766876-pat00038
를 표시하고, y축에는 힐베르트 변환
Figure 112022031766876-pat00039
로 표시하며, 아래의 식을 통해 계산한다. 여기서 P.V.는 코시 주요값(Cauchy Principal Value)으로 구한다는 것을 의미한다.The Hilbert transform algorithm is based on a method of analyzing nonlinear signals. Real Signal
Figure 112022031766876-pat00031
Complex Valued Signal in
Figure 112022031766876-pat00032
Is
Figure 112022031766876-pat00033
(here
Figure 112022031766876-pat00034
Is
Figure 112022031766876-pat00035
means the Hilbert transform of)
Figure 112022031766876-pat00036
In general, the Hilbert transform is
Figure 112022031766876-pat00037
used to calculate Therefore, a two-dimensional phase space figure is created in the following way. ECG signal on the x-axis
Figure 112022031766876-pat00038
, and the Hilbert transform on the y-axis
Figure 112022031766876-pat00039
and is calculated using the formula below. Here, PV means that it is calculated as a Cauchy Principal Value.

Figure 112022031766876-pat00040
Figure 112022031766876-pat00040

위 식에서 힐베르트 변환은

Figure 112022031766876-pat00041
Figure 112022031766876-pat00042
의 합성곱(Convolution)으로 간주한다. 합성곱의 특성 때문에
Figure 112022031766876-pat00043
의 푸리에 변환
Figure 112022031766876-pat00044
Figure 112022031766876-pat00045
Figure 112022031766876-pat00046
의 푸리에 변환의 곱이다. 따라서
Figure 112022031766876-pat00047
일 경우에는
Figure 112022031766876-pat00048
이고,
Figure 112022031766876-pat00049
일 경우에는
Figure 112022031766876-pat00050
이다. 이것은 진폭 반응이 통일적이고 위상 반응이 모든 주파수
Figure 112022031766876-pat00051
조건에서 일정하게
Figure 112022031766876-pat00052
정도 지연이 이상적인 필터에 의해 힐베르트 변환이 실현될 수 있다는 것을 의미한다.In the above equation, the Hilbert transform is
Figure 112022031766876-pat00041
Wow
Figure 112022031766876-pat00042
It is regarded as a convolution of Because of the nature of convolution
Figure 112022031766876-pat00043
Fourier transform of
Figure 112022031766876-pat00044
Is
Figure 112022031766876-pat00045
Wow
Figure 112022031766876-pat00046
is the product of the Fourier transform of therefore
Figure 112022031766876-pat00047
in case of
Figure 112022031766876-pat00048
ego,
Figure 112022031766876-pat00049
in case of
Figure 112022031766876-pat00050
to be. This means that the amplitude response is uniform and the phase response is at all frequencies.
Figure 112022031766876-pat00051
constant under conditions
Figure 112022031766876-pat00052
The degree of delay means that the Hilbert transform can be realized with an ideal filter.

일반 ECG는 위상 공간 그림(Phase-Space Plot)에 항상 곡선과 같은 원을 표시하지만, 무작위 신호응 불규칙한 방식으로 채워진다. 위상 공간 그림(Phase-Space Plot)

Figure 112022031766876-pat00053
을 기반으로 동 리듬(Sinus Rhythm)과 심실세동(Ventricular fibrillation, VF)을 구분할 수 있다. 40 * 40 그리드에서 ECG 신호로 곡선으로 표시된 상자를 계산하는 방법으로 HILB를 구한다.Normal ECG always displays curve-like circles in the Phase-Space Plot, but is filled in an irregular way with random signals. Phase-Space Plot
Figure 112022031766876-pat00053
Based on the sinus rhythm (Sinus Rhythm) and ventricular fibrillation (Ventricular fibrillation, VF) can be distinguished. HILB is obtained by calculating the box plotted with the ECG signal on a 40*40 grid.

Figure 112022031766876-pat00054
Figure 112022031766876-pat00054

(5) bWT/bCP/bW: QRS 복합체 식별 알고리즘(5) bWT/bCP/bW: QRS complex identification algorithm

충격(Shock) 리듬은 ECG에서 정상적으로 전도되거나 좁은 QRS 복합체(Narrow QRS Complexes)가 없는 것이 특징이다. QRS 복합체의 존재를 식별하기 위해 시간, 기울기 및 주파수를 이용한다.The shock rhythm is characterized by normal conduction in the ECG or the absence of narrow QRS complexes. Time, slope, and frequency are used to identify the presence of QRS complexes.

비-충격(No-Shock) 심장 리듬은 심실 부정맥(Ventricular Arrhythmia)보다는 등전간격(Isoelectric Interval)이 길다는 특징이 있다. 6.5~30Hz 밴드 통과 필터(Band-Pass Filter)로 P파와 T파를 억제하고 진폭 1(

Figure 112022031766876-pat00055
)로 정규화한다. Non-Shock heart rhythm is characterized by a longer Isoelectric Interval than Ventricular Arrhythmia. P-wave and T-wave are suppressed with a 6.5-30Hz band-pass filter, and amplitude 1 (
Figure 112022031766876-pat00055
) is normalized to

다음 bWT는

Figure 112022031766876-pat00056
샘플의 일정 비율을 유지하는 등전선(Isoelectric Line) 주위의 진폭 범위로 정의하며, 아래의 식과 같이 등전선(Isoelectric Line) 위(
Figure 112022031766876-pat00057
)와 아래(
Figure 112022031766876-pat00058
) 차이로 계산한다.The following bWT is
Figure 112022031766876-pat00056
It is defined as the amplitude range around the isoelectric line that maintains a certain proportion of the sample, and above (
Figure 112022031766876-pat00057
) and below (
Figure 112022031766876-pat00058
) is calculated as the difference.

Figure 112022031766876-pat00059
Figure 112022031766876-pat00059

QRS 복합체 중에서 ECG가 빠르게 변화하면 ECG의 기술기 값이 커진다. ECG 신호의 첫 번째 차이를 제곱한 후 진폭 1(

Figure 112022031766876-pat00060
)로 정규화한다. bCP는 아래의 식과 같이 시간
Figure 112022031766876-pat00061
임계값 (
Figure 112022031766876-pat00062
)보다 낮은 비율로 정의한다.In the QRS complex, when the ECG changes rapidly, the descriptor value of the ECG increases. After squaring the first difference of the ECG signal, the amplitude 1 (
Figure 112022031766876-pat00060
) is normalized to bCP is time as shown below
Figure 112022031766876-pat00061
threshold (
Figure 112022031766876-pat00062
) is defined as a ratio lower than

Figure 112022031766876-pat00063
(여기서
Figure 112022031766876-pat00064
는 ECG 세그먼트(Segment) 시간을 의미한다.)
Figure 112022031766876-pat00063
(here
Figure 112022031766876-pat00064
denotes the ECG segment time.)

QRS 복합체가 잘 정의된 리듬은 광대역 신호(Broadband Signals)이지만, 심실 부정맥(Ventricular Arrhythmia)은 좁은 대역 신호(Narrow Band Signal)이다. 주파수 영역의 전력 분포는 ECG 세그먼트(Segment)의 1024-포인트 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 크기의 제곱으로 추정한다. 그리고 곡선 아래의 단위 면적

Figure 112022031766876-pat00065
으로 정규화한다. 다음 총 전력의 특정 비율을 포함하는 위(
Figure 112022031766876-pat00066
)와 아래(
Figure 112022031766876-pat00067
) 주파수를 계산한다. bW는 ECG 대역폭이며 아래의 식으로 정의된다. The well-defined rhythm of the QRS complex is Broadband Signals, whereas Ventricular Arrhythmia is a Narrow Band Signal. The power distribution in the frequency domain is estimated as the square of the 1024-point Fast Fourier Transform (FFT) size of the ECG segment. and the unit area under the curve
Figure 112022031766876-pat00065
normalize to Above (
Figure 112022031766876-pat00066
) and below (
Figure 112022031766876-pat00067
) to calculate the frequency. bW is the ECG bandwidth and is defined by the following equation.

Figure 112022031766876-pat00068
Figure 112022031766876-pat00068

그리고 나서 상기 지도학습 방식과 심층신경망(DNN)으로 딥러닝을 수행하는 ECG기계학습 단계(S6)를 거치게 되는데, 일반적으로 지도학습(Supervised Learning)은 비지도학습(unsupervised Learning)과 달리 학습 데이터를 가지고 예시적으로 각 데이터가 가지는 의미를 미리 알려주고(또는 학습시키고) 새롭게 입력된 데이터의 의미를 알아내는 딥러닝 방법이다. Then, it goes through the ECG machine learning step (S6) of performing deep learning with the supervised learning method and deep neural network (DNN). In general, supervised learning uses learning data unlike unsupervised learning. It is a deep learning method that, for example, informs (or learns) the meaning of each data in advance and finds out the meaning of newly input data.

딥러닝은 상기 ECG신호를 분석하여 특징을 추출하는 단계(S5)에서 ECG특징 추출을 입력으로 하고, 충격 여부 라벨인 SHOCK과 NO-SHOCK을 분류 결과로 설정한다. In deep learning, ECG feature extraction is input in the step (S5) of extracting features by analyzing the ECG signal, and SHOCK and NO-SHOCK, which are shock labels, are set as classification results.

딥러닝은 순차 모델(Sequential Model)로 심층신경망(Deep Neural Network; DNN)을 구성한다. 입력층(Input Layer)은 ECG특징 추출의 데이터를 입력으로 한다. 은닉측(Hidden Layer)은 활성화 함수(Activation Function)으로 비선형 데이터를 해결하기 위해 쌍곡선 탄젠트(Hyperbolic Tangent) 함수를 사용하고, 벡터를 확률 분포로 변환하는 소프트맥스(Softmax) 함수를 사용한다. 출력층(Output Layer)은 활성화 함수(Activation Function)으로 0과 1사이의 값으로 변환하는 시그모이드(Sigmoid) 함수를 사용한다.Deep learning constructs a deep neural network (DNN) as a sequential model. The input layer takes the data of ECG feature extraction as input. The hidden layer uses a hyperbolic tangent function to solve nonlinear data as an activation function, and a softmax function that transforms a vector into a probability distribution is used. The output layer is an activation function and uses a sigmoid function that converts a value between 0 and 1.

심층신경망 모델의 입력층(Input Layer)은 ECG특징 추출과 동일한 노드(Node)로 구성되어 있고 출력층(Output Layer)은 1개의 노드로 구성되어 있다. ECG특징 추출 데이터가 [FE(1), FE(2), …, FE(n)]라고 하면 입력측의 노드는 [L1(1), L1(2), …, L1(n)]이 된다. 여기서 n은 ECG특징 추출 데이터의 총 수를 의미한다. 은닉층은 L2, L3, L4 등 3개의 층으로 구성하며, 각 층은 n2, n3, n4 개의 노드로 구성한다. 그리고 활성화 함수로 쌍곡선 탄젠트와 소프트 맥스를 사용한다. 은닉층은 ECG분석 성능을 향상시키기 위해 층이 추가될 수 있다. 출력층은 1개의 노드로 구성하며, 시그모이드(Sigmoid) 함수를 사용한다.The input layer of the deep neural network model consists of the same nodes as the ECG feature extraction, and the output layer consists of one node. ECG feature extraction data is [FE(1), FE(2), … , FE(n)], the input node is [L1(1), L1(2), ... , L1(n)]. Here, n means the total number of ECG feature extraction data. The hidden layer consists of three layers, L2, L3, and L4, and each layer consists of n2, n3, and n4 nodes. And we use hyperbolic tangent and soft max as activation functions. Hidden layers can be added to improve ECG analysis performance. The output layer consists of one node and uses a sigmoid function.

이렇게 ECG특징 추출을 이용해서 ECG 기계학습 모델을 구성하면 심층신경망 모델의 노드 수와 은닉층의 수가 적어지면서 자동심장충격기의 ECG인공지능 엔진을 적은 자원으로 만들 수 있다.If the ECG machine learning model is constructed using ECG feature extraction in this way, the number of nodes and hidden layers of the deep neural network model decreases, and the ECG AI engine of the AED can be made with fewer resources.

이와 같이 기계학습을 거치게 되면, 상기 ECG기계학습 테스트를 진행하는 단계(S7) 기계학습을 통해 만들어진 신경망 구조, 활성화 함수, 가중치 등 ECG 인공지능 모델을 이용해서 ECG신호의 특징이 추출된 테스트용 데이터 세트를 입력값으로 하고, 2차 라벨링된 심장충격 여부를 분류 결과로 설정하여 ECG 기계학습을 테스트한다.In this way, when machine learning is performed, the ECG machine learning test is performed (S7). Test data from which the ECG signal features are extracted using the ECG artificial intelligence model such as the neural network structure, activation function, and weight created through machine learning. ECG machine learning is tested by taking the set as an input and setting the secondary labeled cardiac shock as the classification result.

ECG 기계학습 테스트는 먼저 테스트용 데이터 세트의 ECG특징 값을 ECG인공지능 모델에 입력한다. 입력된 ECG특징 값은 학습된 심층신경망 구조, 활성화 함수, 가중치에 따라 신경망 노드를 지나간 후 출력층의 시그모이드 함수를 거치면서 0과 1사이의 AI-VALUE 값을 출력한다. AI-VALUE 값은 1에 근접할수록 충격에 근접하며, 0에 근접할수록 비-충격에 근접해진다.The ECG machine learning test first inputs the ECG feature values of the test data set into the ECG artificial intelligence model. The input ECG feature value passes through the neural network node according to the learned deep neural network structure, activation function, and weight, and then goes through the sigmoid function of the output layer to output an AI-VALUE value between 0 and 1. The AI-VALUE value approaches 1 as it approaches 1, and the closer it gets to 0, it approaches non-impact.

최종적으로 충격과 비-충격은 AI-VALUE의 임곗값(Threshold)으로 결정한다. AI-VALUE가 임곗값을 넘으면 AI-SHOCK 인공지능이 충격으로 판정하고, AI-VALUE가 임곗값을 넘지 못하면 AI-NO-SHOCK 인공지능이 비-충격으로 판정한다.Finally, impact and non-impact are determined by the AI-VALUE threshold. If the AI-VALUE exceeds the threshold, the AI-SHOCK AI judges it as a shock, and if the AI-VALUE does not exceed the threshold, the AI-NO-SHOCK AI judges it as a non-shock.

이와 같이 임계값(Threshold)에 따라 충격 여부의 판정이 달라지기 때문에, 임계값(Threshold)의 조합에 따라 ECG기계학습 테스트를 진행해야 한다. 따라서, 상기 ECG기계학습 테스트를 진행하는 단계(S7)에서 C-DF를 디지털 필터의 조합 개수, C-FE를 추출된 ECG특징의 조합수, C-ML을 ECG 인공지능 모델에서 충격 여부를 판정하는 임계값에 따라 총 수행해야 할 기계학습 조합의 개수일 때, C-DF ×C-FE × C-ML의 수만큼 ECG기계학습 테스트를 진행한다. 그리고 그 결과 중에서 자동심장충격기에서 적용이 가능할 최적의 조합을 선택하는 것이다.In this way, since the determination of whether or not a shock is impacted depends on the threshold, the ECG machine learning test should be performed according to the combination of the thresholds. Therefore, in the step (S7) of performing the ECG machine learning test, C-DF is the number of combinations of digital filters, C-FE is the number of combinations of extracted ECG features, and C-ML is the ECG artificial intelligence model to determine whether the impact is When the total number of machine learning combinations to be performed according to the threshold value of And among the results, the optimal combination that can be applied to the AED is to be selected.

그리고 나서 인공지능 기반 ECG 분석 성능을 평가하는 단계(S8)를 거치게 된다. 상기 단계는 디지털 필터, ECG특징 추출 등 알고리즘과 ECG기계학습을 통해 만들어진 신경망 구조, 활성화 함수, 가중치 등 ECG 인공지능 모델과 인공지능이 충격을 판정하는 기준인 임계값 조합중에서 자동심장충격기에 적용하기 위한 ECG분석 인공지능 모델을 선택하기 위해 인공지능 기반 ECG 분석 성능 평가를 진행한다.Then, the AI-based ECG analysis performance is evaluated (S8). The above step is a combination of an ECG artificial intelligence model such as a neural network structure, activation function, weight, etc. created through an algorithm such as digital filter and ECG feature extraction and ECG machine learning and a threshold value that is a criterion for determining an impact by artificial intelligence. In order to select an ECG analysis AI model for ECG analysis, AI-based ECG analysis performance evaluation is carried out.

상기 인공지능 기반 ECG 분석 성능을 평가하는 단계(S8)는 ECG 기계학습 테스트 결과와 1차 라벨링된 심장리듬 데이터 세트를 이용하여 디지털 필터, ECG특징 추출 알고리즘 등 알고리즘에 대한 평가와 신경망 구조, 활성화 함수, 가중치, 충격 판정 임계값 등 ECG 분석 인공지능 모델에 대한 성능을 평가하는 것으로서, 충격여부 라벨과 ECG 인공지능 모델 결과의 일치 조합에 따라 참양성(True Positive. TP), 참음성(True Negative. TN), 위양성(False Positive. FP), 위음성(False Negative. FN)으로 판정한다.In the step of evaluating the AI-based ECG analysis performance (S8), the evaluation of algorithms such as digital filters and ECG feature extraction algorithms using the ECG machine learning test results and the primary labeled heart rhythm data set, neural network structure, and activation function It evaluates the performance of the ECG analysis AI model, such as , weight, and shock judgment threshold, according to the matching combination of the shock label and the ECG AI model result. TN), false positive (FP), and false negative (FN).

상기 참양성(TP)은 충격성 심장리듬을 정확하게 판정했을 경우이고, 참음성(TN)은 비-충경성 심장리듬을 정확하게 판정했을 경우이다. 그리고 위양성(FP)는 충격이 필요 없는 상황에서 충격성 심장리듬으로 틀리게 판정했을 경우이고, 위음성(FN)은 충격이 필요한 상황에서 비-충격성 심장리듬으로 틀리게 판정했을 경우이다.The true positive (TP) is a case in which an impulse heart rhythm is accurately determined, and a true negative (TN) is a case in which a non-impulsive heart rhythm is accurately determined. In addition, false positive (FP) is a case in which a shock heart rhythm is incorrectly determined in a situation where no shock is required, and a false negative (FN) is a case in which a non-shock heart rhythm is incorrectly determined in a situation in which shock is required.

즉, 인공지능 기반 ECG 분석 성능을 평가하는 단계(S8)는 충격여부 라벨과 기계학습 모델 결과의 일치 조합을 총 4가지 형태로 판정하는 것으로서, 구체적으로 충격 여부 라벨이 SHOCK이고 ECG 인공지능 모델 결과가 AI-SHOCK이면 참양성(TP), 충격 여부 라벨이 SHOCK인데 ECG 인공지능 모델 결과가 AI-NO-SHOCK이면 위음성(FN), 충격 여부 라벨이 NO-SHOCK이고 ECG 인공지능 모델 결과가 AI-NO-SHOCK이면 참음성(TN), 충격 여부 라벨이 NO-SHOCK인데 ECG 인공지능 모델 결과가 AI-SHOCK이면 위양성(FP)으로 판정하는 것이다.That is, the step (S8) of evaluating the AI-based ECG analysis performance is to determine the matching combination of the shock label and the machine learning model result in four forms. Specifically, the shock label is SHOCK and the ECG AI model result is AI-SHOCK, true positive (TP), the shock label is SHOCK, and the ECG AI model result is AI-NO-SHOCK, then false negative (FN), the shock label is NO-SHOCK, and the ECG AI model result is AI- If NO-SHOCK is true negative (TN), if the shock label is NO-SHOCK, but the ECG AI model result is AI-SHOCK, it is judged as false positive (FP).

자동심장충격기는 충격이 필요한 리듬의 민감도(Sensitivity)보다는 충격이 필요 없는 리듬의 특이도(Specificity)가 중요하다. 민감도와 특이도는 상기 판정결과를 이용하여 아래와 같이 계산하게 된다. 상기 민감도(Sensitivity)는 TP / (TP + FN)식에 의해 계산되고, 특이도(Specificity)는 TN / (FP + TN) 식에 의해 계산되는 것이 바람직하다.For the AED, the specificity of the rhythm that does not require a shock is more important than the sensitivity of the rhythm that requires a shock. Sensitivity and specificity are calculated as follows using the determination result. Preferably, the sensitivity (Sensitivity) is calculated by the TP / (TP + FN) equation, and the specificity (Specificity) is calculated by the TN / (FP + TN) equation.

국제규격에서 자동심장충격기의 민감도(Sensitivity)와 특이도(Specificity)는 다음과 같이 요구된다. 심실세동(VF)의 민감도(Sensitivity)는 90% 이상, 심실빈맥(VT)의 민감도(Sensitivity)는 75% 이상, 정상 심장 박동(NSR) 특이도(Specificity)는 99% 이상, 무수축(Asys) 특이도(Specificity)는 95% 이상, 충격을 줄 수 없는 모든 심장 박동의 특이도(Specificity)는 95% 으로 요구된다.In international standards, the sensitivity and specificity of the AED is required as follows. Sensitivity of ventricular fibrillation (VF) is more than 90%, Sensitivity of ventricular tachycardia (VT) is more than 75%, specificity of normal heartbeat (NSR) is more than 99%, and asystole (Asys) ) Specificity is required to be 95% or more, and the specificity of all heartbeats that cannot give a shock is 95%.

그리고 나서 심장리듬 라벨에 따른 심장리듬 판정기준을 이용하여 자동심장충격기에 적용할 ECG분석 인공지능 모델 조합을 선택한다. 즉 예를들어 심장리듬 라벨이 VF 중에서 충격 여부 라벨이 SHOCK이고 ECG분석 인공지능 모델 결과가 AI-SHOCK이면 TP-VF로 판정하고, 심장리듬 라벨이 VT 중에서 충격 여부 라벨이 SHOCK이고 ECG분석 인공지능 모델 결과가 AI-SHOCK이면 TP-VT로 판정하고, 심장리듬 라벨이 NSR 중에서 충격 여부 라벨이 NO-SHOCK이고 ECG분석 인공지능 모델 결과가 AI-NO-SHOCK이면 TN-NSR로 판정하고, 심장리듬 라벨이 ASYS 중에서 충격 여부 라벨이 NO-SHOCK이고 ECG분석 인공지능 모델 결과가 AI-NO-SHOCK이면 TN-ASYS로 판정하고, 심장리듬 라벨이 OTHER 중에서 충격 여부 라벨이 NO-SHOCK이고 ECG분석 인공지능 모델 결과가 AI-NO-SHOCK이면 TN-OTHER로 판정한다.Then, the ECG analysis AI model combination to be applied to the AED is selected using the heart rhythm determination criteria according to the heart rhythm label. That is, for example, if the heart rhythm label is VF, the shock label is SHOCK, and the ECG analysis AI model result is AI-SHOCK, then it is determined as TP-VF. If the model result is AI-SHOCK, it is determined as TP-VT, and if the shock label is NO-SHOCK among the heart rhythm label NSR and the ECG analysis AI model result is AI-NO-SHOCK, it is determined as TN-NSR, and cardiac rhythm If the shock label is NO-SHOCK in ASYS and the ECG analysis AI model result is AI-NO-SHOCK, it is determined as TN-ASYS, and the heart rhythm label is NO-SHOCK in OTHER, and the shock label is NO-SHOCK, ECG analysis AI If the model result is AI-NO-SHOCK, it is judged as TN-OTHER.

위 판정에서 TP-VF와 TP-VT는 민감도(Sensitivity)와 같으며, TN-NSR, TN-ASYS, TN-OTHER는 특이도(Specificity)와 같다In the above judgment, TP-VF and TP-VT are the same as Sensitivity, and TN-NSR, TN-ASYS, TN-OTHER are the same as Specificity

그리고 전자 합성 ECG 데이터 세트의 심장리듬 라벨 중에서 다음 기준을 만족하는 ECG분석 인공지능 모델의 조합을 선택한다.Then, from among the heart rhythm labels of the electronically synthesized ECG data set, a combination of ECG analysis AI models that satisfy the following criteria is selected.

- TP-VF = 1- TP-VF = 1

- TP-VT = 1- TP-VT = 1

- TN-NSR = 1- TN-NSR = 1

- TN-ASYS = 1- TN-ASYS = 1

- TN-OTHER > 0.95- TN-OTHER > 0.95

상기 선택한 ECG분석 인공지능 모델 조합 중에서 테스트 데이터 세트의 심장리듬 라벨 중 다음 기준을 만족하는 ECG분석 인공지능 모델의 조합을 선택한다.Among the selected ECG analysis AI model combinations, a combination of ECG analysis AI models satisfying the following criteria is selected from among the cardiac rhythm labels of the test data set.

- TP-VF > 0.95- TP-VF > 0.95

- TP-VT > 0.95- TP-VT > 0.95

- TN-NSR > 0.99- TN-NSR > 0.99

- TN-ASYS > 0.99- TN-ASYS > 0.99

- TN-OTHER > 0.95- TN-OTHER > 0.95

그리고 나서 상기 선택한 ECG분석 인공지능 모델 조합 중에서 자동심장충격기에 적용이 가능한 조합을 선택한다. 만약에, 원하는 성능이 나오지 않거나 성능 개선이 필요하거나, 라벨을 수정하면 데이터 세트 생성부터 다시 수행한다.Then, a combination applicable to the AED is selected from among the selected ECG analysis artificial intelligence model combinations. If the desired performance is not obtained, performance improvement is required, or the label is modified, data set creation is performed again.

최종적으로 본 발명은 상기 평가된 인공지능 기반 ECG 분석 성능 평가를 통해 최종적으로 선택된 신경망 구조, 활성화 함수, 가중치, 충격 판정 임계값을 포함하는 ECG 분석 인공지능 모델과 디지털 필터, ECG 특징 추출 알고리즘을 자동심장충격기에 동일하게 적용하는 단계(S9);를 거치게 된다.Finally, the present invention automatically automates the ECG analysis artificial intelligence model, digital filter, and ECG feature extraction algorithm including the neural network structure, activation function, weight, and shock determination threshold finally selected through the evaluated AI-based ECG analysis performance evaluation. A step of applying the same to the defibrillator (S9); is passed.

즉, ECG기계학습부에서 최종 선택된 ECG분석 인공지능 모델의 신경망 구조, 활성화 함수, 가중치, 충격 판정 임계값이 자동심장충격기의 ECG인공지능 엔진으로 제공되는 것이고, 제1 ECG특징 추출부의 디지털 필터와 ECG특징 추출 알고리즘은 자동심장충격기의 제2 ECG특징 추출부로 디지털 필터의 조건과 ECG특징 추출 알고리즘을 제공하게 되어, 최종적으로 사용하게 될 자동심장충격기의 심전도 분석 기술의 정확도를 높이고 충격(Shock)과 비충격(No-Shock)의 판단이 정확하게 이루어지는 것이다.That is, the neural network structure, activation function, weight, and shock determination threshold of the ECG analysis artificial intelligence model finally selected by the ECG machine learning unit are provided to the ECG artificial intelligence engine of the AED, and the digital filter of the first ECG feature extraction unit The ECG feature extraction algorithm provides the digital filter conditions and ECG feature extraction algorithm as the second ECG feature extraction unit of the AED. The judgment of No-Shock is made accurately.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described above with reference to the above embodiments, it goes without saying that various modifications are possible within the scope of the technical spirit of the present invention.

S1 ~ S9 : 인공지능 기반 자동심장충격기용 심전도 분석 및 적용 방법
100 : 기계학습용 컴퓨터 장치 110 : ECG데이터 저장소
120 : 제1ECG특징 추출부 130 : ECG기계학습부
200 : 자동심장충격기 210 : 심전도 측정부
220 : 제2ECG특징 추출부 230 : ECG 인공지능 엔진
S1 ~ S9 : ECG analysis and application method for artificial intelligence-based automatic defibrillator
100: computer device for machine learning 110: ECG data storage
120: first ECG feature extraction unit 130: ECG machine learning unit
200: automatic defibrillator 210: electrocardiogram measurement unit
220: second ECG feature extraction unit 230: ECG artificial intelligence engine

Claims (6)

ECG데이터 저장소, 제1ECG특징 추출부, ECG기계학습부로 구성되는 기계학습용 컴퓨터 장치 및 이와 연결되고 심전도 측정부, 제2ECG특징 추출부, ECG 인공지능 엔진으로 구성되는 자동심장충격기로 이루어진 시스템의 인공지능 기반 자동심장충격기용 심전도 분석 및 적용 방법에 있어서,
ECG데이터를 수집하여 기계학습용 컴퓨터 장치의 ECG데이터 저장소에 저장하는 단계(S1)와, 상기 저장된 ECG데이터를 조각단위로 쪼개어 데이터 세트를 만드는 단계(S2)와, 상기 데이터 세트의 각 조각마다 심장리듬의 타입을 기록하는 형태로 1차 라벨링을 하고, 1차 라벨링된 조각마다 심장충격 여부를 기록하는 2차 라벨링 단계(S3)와, 상기 라벨링된 데이터 세트에 디지털 필터를 적용하여 노이즈를 제거하는 단계(S4)와, 상기 디지털 필터가 적용된 데이터 세트에서 ECG신호를 분석하여 특징을 추출하는 단계(S5)와, 상기 ECG신호의 특징이 추출된 학습용 데이터 세트를 입력값으로 하고, 2차 라벨링된 심장충격 여부를 분류 결과로 설정하여 지도학습 방식과 심층신경망(DNN)으로 딥러닝을 수행하는 ECG기계학습 단계(S6)와, 상기 ECG기계학습을 통해 만들어진 신경망 구조, 활성화 함수, 가중치와 같은 인공지능 모델을 이용해서 ECG신호의 특징이 추출된 테스트용 데이터 세트를 입력값으로 하고, 2차 라벨링된 심장충격 여부를 분류 결과로 설정하여 ECG기계학습 테스트를 진행하되, C-DF를 디지털 필터의 조합 개수, C-FE를 추출된 ECG특징의 조합수, C-ML을 ECG 인공지능 모델에서 충격 여부를 판정하는 임계값에 따라 총 수행해야 할 기계학습 조합의 개수일 때, C-DF ×C-FE × C-ML의 수만큼 ECG기계학습 테스트를 진행하는 단계(S7)와, 상기 디지털 필터, ECG신호 분석 후 추출, ECG 기계학습 테스트 결과와 1차 라벨링된 심장리듬 데이터 세트를 이용하여 인공지능 기반 ECG 분석 성능을 평가하는 단계(S8)와, 상기 평가된 인공지능 기반 ECG 분석 성능 평가를 통해 최종적으로 선택된 신경망 구조, 활성화 함수, 가중치, 충격 판정 임계값을 포함하는 ECG 분석 인공지능 모델과 디지털 필터, ECG 특징 추출 알고리즘을 자동심장충격기에 동일하게 적용하는 단계(S9);로 이루어지고,
상기 ECG신호를 분석하여 특징을 추출하는 단계(S5)에서 적용되는 추출 알고리즘은, TCSC: 임계 교차 샘플 수(Threshold Crossing Sample Count) 알고리즘, VFLEAK: VF 필터(VF Filter Leakage) 알고리즘, PSR: 위상 공간 재구성(Phase Space Reconstruction) 알고리즘, HILB: 힐베르트 변환(Hilbert Transform) 알고리즘, bWT/bCP/bW: QRS 복합체 식별 알고리즘 중에서 적어도 2개 이상의 알고리즘 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인공지능 기반 자동심장충격기용 복합 ECG특징 추출 방식의 심전도 분석 및 적용 방법

Artificial intelligence of a system consisting of a computer device for machine learning consisting of an ECG data storage, a first ECG feature extraction unit, and an ECG machine learning unit, and an automatic defibrillator connected thereto and consisting of an electrocardiogram measuring unit, a second ECG feature extraction unit, and an ECG artificial intelligence engine. In the electrocardiogram analysis and application method for the based automatic defibrillator,
Collecting ECG data and storing it in the ECG data storage of the computer device for machine learning (S1), creating a data set by dividing the stored ECG data into pieces (S2), heart rhythm for each piece of the data set A secondary labeling step (S3) of performing primary labeling in the form of recording the type of (S4), extracting features by analyzing the ECG signal from the data set to which the digital filter is applied (S5), using the training data set from which the features of the ECG signal are extracted as an input value, and secondary labeled heart ECG machine learning step (S6) of performing deep learning with a supervised learning method and deep neural network (DNN) by setting the impact status as the classification result, and artificial intelligence such as the neural network structure, activation function, and weight created through the ECG machine learning The ECG machine learning test is carried out by using the test data set from which the characteristics of the ECG signal are extracted using the model as the input value, and setting the secondary labeled cardiac shock as the classification result, but C-DF is a combination of digital filters C-DF × C- Step (S7) of performing the ECG machine learning test as much as the number of FE × C-ML, the digital filter, the extraction after analysis of the ECG signal, the ECG machine learning test result and the primary labeled heart rhythm data set for artificial intelligence Evaluating the based ECG analysis performance (S8) and the ECG analysis AI model and digital including the neural network structure, activation function, weight, and shock determination threshold finally selected through the evaluated AI-based ECG analysis performance evaluation The filter and the ECG feature extraction algorithm are equally applied to the AED (S9); consists of;
The extraction algorithm applied in the step (S5) of extracting features by analyzing the ECG signal is: TCSC: Threshold Crossing Sample Count Algorithm, VFLEAK: VF Filter Leakage Algorithm, PSR: Phase Space Reconstruction (Phase Space Reconstruction) Algorithm, HILB: Hilbert Transform Algorithm, bWT/bCP/bW: Composite ECG for artificial intelligence-based AED, characterized in that it consists of a combination of at least two or more algorithms among QRS complex identification algorithms ECG analysis and application method of feature extraction method

제 1항에 있어서,
상기 ECG데이터 저장소에 저장하는 단계(S1)에서 수집되는 ECG데이터는 환자로부터 얻어진 실제 ECG데이터와 전자신호를 합성하여 만든 전자합성 ECG데이터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인공지능 기반 자동심장충격기용 복합 ECG특징 추출 방식의 심전도 분석 및 적용 방법
The method of claim 1,
The ECG data collected in the step (S1) of storing in the ECG data storage consists of electronically synthesized ECG data made by synthesizing the actual ECG data and electronic signals obtained from the patient. ECG analysis and application method of extraction method
제 1항에 있어서,
상기 ECG데이터 저장소에 저장하는 단계(S1)에서 ECG데이터는 자동심장충격기의 심전도 측정부와 같은 샘플링 주파수로 변경하여 저장하는 것을 특징으로 하는 인공지능 기반 자동심장충격기용 복합 ECG특징 추출 방식의 심전도 분석 및 적용 방법
The method of claim 1,
In the step (S1) of storing the ECG data storage, the ECG data is changed to the same sampling frequency as the ECG measuring unit of the AED, and stored. and how to apply
제 1항에 있어서,
상기 조각단위로 쪼개어 데이터 세트를 만드는 단계(S2)에서 자동심장충격기의 ECG 인공지능 엔진이 분석 가능한 조각단위로 쪼개는 것을 특징으로 하는 인공지능 기반 자동심장충격기용 복합 ECG특징 추출 방식의 심전도 분석 및 적용 방법
The method of claim 1,
ECG analysis and application of the complex ECG feature extraction method for the AI-based automatic defibrillator, characterized in that in the step (S2) of creating a data set by dividing it into pieces, the ECG AI engine of the automatic defibrillator divides it into pieces that can be analyzed Way
제 1항에 있어서,
상기 조각단위로 쪼개어 데이터 세트를 만드는 단계(S2)에서 데이터 세트는 지도학습 방법으로 딥러닝을 위한 학습용 데이터 세트와 기계학습 테스트를 위한 테스트용 데이터 세트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인공지능 기반 자동심장충격기용 복합 ECG특징 추출 방식의 심전도 분석 및 적용 방법
The method of claim 1,
In the step (S2) of creating a data set by dividing the pieces into pieces, the data set is an artificial intelligence-based automatic heart shock, characterized in that it consists of a learning data set for deep learning and a test data set for machine learning test in a supervised learning method. ECG analysis and application method of the complex ECG feature extraction method for Ki-Yong
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