KR102461702B1 - 심전도 신호 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

심전도 신호를 이용한 처리 방법은, (a) 심전도 신호로부터 이상 R-피크의 후보를 선택하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 선택된 후보 중 이상 R-피크를 판단하는 단계; 및 (c) 상기 심전도 신호로부터의 전체 R-피크 중 상기 (b) 단계에서 판단된 이상 R-피크를 제외하는 단계;를 포함한다.

Description

심전도 신호 처리 방법{PROCESSING METHOD FOR ELECTROCARDIOGRAM SIGNAL}
본 발명은 심전도 신호 처리 방법에 관한 것이다.
심전도 신호에서 R-피크(R-Peak)를 검출하는 방법은, 구글(www.google.com) 등을 통해 다양한 알고리즘의 검색이 가능하다.
그런데, 이렇게 검출된 R-피크의 경우, 심전도 신호의 잡음에 의해 정확하지 않을 가능성이 있다. 이렇게 부정확하게 검출된 R-피크를 이용하여 R-피크 사이의 간격인 RR 간격을 산출하게 되면 RR 간격 역시 부정확해지게 된다.
아울러, 사람이 직접 심전도 신호에 의해 R-피크를 검출하고, RR 간격을 산출하게 되면 그 작업량에 제한이 있어, 이를 자동화할 필요가 있다.
Procedia Technology 4, 2012, 페이지 873 ~ 877(R-peak detection algorithm for ECG using double difference and RR interval processing, 이하 '종래 기술')에는, 심전도 신호의 R-피크를 검출하는 방법 및 검출된 R-피크를 이용하여 R-피크와 R-피크 사이의 간격인 RR 간격을 산출하는 방법이 개시되어 있다.
종래 기술에서는, RR 간격을 자동으로 산출하면서도 부정확한 R 피크를 제거하기 위하여, 5개의 연속적인 R 피크의 평균 RR 간격을 이용하여 비교하고, RR 간격이 이상한 경우 2번째 R-피크를 제거하는 것에 의해 RR 간격을 산출하여, 정확한 RR 간격을 산출하고자 한다.
다만, 단순히 평균 RR 간격을 이용하여 비교하고, RR 간격이 이상한 경우 2번째 R-피크를 제거하는 것에 의해 RR 간격을 산출할 경우, 진실로 이상 R-피크만이 검출되는 것인지에 대해서는 의문이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하는 데 목적이 있는 발명으로서, 2 단계에 거친 심전도 신호의 이상 여부를 판단하는 것에 의해 이상 심전도 신호를 정확하게 판단할 수 있는 심전도 신호 처리 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명의 심전도 신호를 이용한 처리 방법은, (a) 심전도 신호로부터 이상 R-피크의 후보를 선택하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 선택된 후보 중 이상 R-피크를 판단하는 단계; 및 (c) 상기 심전도 신호로부터의 전체 R-피크 중 상기 (b) 단계에서 판단된 이상 R-피크를 제외하는 단계;를 포함한다.
구체적으로, 상기 (a) 단계는, 상기 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격; 및 상기 심전도 신호의 복잡도(Complexity); 중 적어도 하나를 이용할 수 있다. 상기 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격을 이용할 경우, 상기 (a) 단계는, (a-1-1) 상기 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격을 산출하는 단계; 및 (a-1-2) 상기 (a-1-1) 단계에서 산출된 R-피크와 R-피크 사이의 간격이 미리 설정된 값 미만인 경우, 해당 R-피크를 이상 R-피크의 후보로 선택하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다. 아울러, 상기 심전도 신호의 복잡도를 이용할 경우, 상기 (a) 단계는, (a-2-1) 미리 설정된 윈도우 크기로, 신호의 복잡도를 산출하는 단계; 및 (a-2-2) 상기 (a-2-1) 단계에서 산출된 신호의 복잡도가 미리 설정된 범위를 벗어나는 윈도우에 포함된 R-피크를 이상 R-피크의 후보로 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 (a) 단계에서 선택된 R-피크를 나타내는 시간을 기준으로 미리 설정된 시간 구간 동안의 심전도 신호의 파형과 정상 R-피크를 나타내는 심전도 신호의 파형을 비교하여, 상기 (a) 단계에서 선택된 후보 중 이상 R-피크를 판단하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 정상 R-피크를 나타내는 심전도 신호의 파형은, 미리 설정된 시간 구간 동안의 다수의 R-피크에 대한 심전도 신호의 파형의 평균값에 의해 산출된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 심전도 신호 처리 방법에 따르면, 2 단계에 거친 심전도 신호의 이상 여부를 판단하는 것에 의해 이상 심전도 신호를 정확하게 판단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 심전도 신호 처리 방법의 흐름도.
도 2는 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격을 이용하는 1차 판단 단계(S120)에 대한 설명도.
도 3은 정상 심전도 신호의 영역에 대한 정상 R-피크값의 평균값을 이용하여 제 1 값을 설정하는 방법 및 검출 영역에 제 1 값을 적용하는 방법에 대한 설명도.
도 4는 심전도 신호의 복잡도를 이용하는 1차 판단 단계(S120)에 대한 설명도.
도 5는 1차 판단 단계(S120)에서 선택된 이상 심전도 신호의 파형들에 대한 설명도.
도 6은 심전도 신호의 파형의 평균값의 산출 방법에 대한 설명도.
도 7은 2차 판단 단계(S130)의 판단 결과에 대한 설명도.
도 8은 확정 단계(S140)의 설명도.
도 9는, 도 1에 나타낸 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 심전도 신호 처리 방법의 흐름도를 관점을 달리하여 표현한 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 심전도 신호 처리 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 하기의 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리 범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 발명의 심전도 신호 처리 방법은, 컴퓨팅 장치의 프로세서에 의해 처리되는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 심전도 신호 처리 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 심전도 신호 처리 방법은, 심전도 신호의 R-피크를 검출하는 R-피크 검출 단계(S110); 1차적으로 심전도 신호의 이상 여부를 판단하는 1차 판단 단계(S120); 1차 판단 단계(S120)의 결과를 이용하여, 2차적으로 심전도 신호의 이상 여부를 판단하는 2차 판단 단계(S130); 2차 판단 단계(S130)에서 이상으로 판단된 심전도 신호의 R-피크를 제외하여, 정상 R-피크를 확정하는 확정 단계(S140); 및 확정 단계(S140)에서 확정된 정상 R-피크 사이의 간격을 산출하는 단계(S150);를 포함한다.
참고로, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 심전도 신호 처리 방법은, 미리 설정된 검출 영역에 대해 실시된다. 아울러, 본 발명에서 사용되는 심전도 신호는 QRS 신호라고도 일컬어진다.
R-피크 검출 단계(S110)에서의 R-피크 검출 방법으로는, [발명의 배경이 되는 기술]에 기재된 '종래 기술'을 비롯하여, 다양한 종래 공개된 기술을 이용할 수 있으므로, 별도의 설명은 생략하기로 한다.
1차 판단 단계(S120)는 크게 2가지 방법에 의해 구현될 수 있다.
그 하나는 심전도 신호의 R-피크(R-Peak) 사이의 간격을 이용하는 방법이고, 다른 하나는 심전도 신호의 복잡도(Complexity)를 이용하는 방법이다. 이 2가지 방법은 각각 1차 판단 단계(S120)에서 이용될 수도 있고, 이 2가지 방법이 조합되어 1차 판단 단계(S120)에서 이용될 수도 있다. 참고로, 2가지 방법의 조합의 예로는, 2가지 방법 중 적어도 하나에 의해 이상 심전도 신호라고 판단된 경우, 1차 판단 단계(S120)에서 이상 심전도 신호라고 판단하는 것을 들 수 있다.
도 2는 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격을 이용하는 1차 판단 단계(S120)에 대한 설명도를 나타낸다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격을 이용할 경우 1차 판단 단계(S120)는, 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격(RR Interval)이 미리 설정된 제 1 값 미만인 경우, 해당 R-피크를 이상 R-피크로 1차 판단하는 것을 특징으로 한다. 참고로, 이상 R-피크로 판단되는 R-피크는, R-피크와 R-피크 사이의 간격의 산출 시 뒤에 위치하는 R-피크가 된다.
이 제 1 값은, 미리 측정된 정상 심전도 신호의 영역에 대한 정상 R-피크값의 평균값을 이용하여 설정될 수 있다. 예를 들면 제 1 값은 정상 R-피크값의 평균값의 70%로 설정될 수 있다.
도 3은 정상 심전도 신호의 영역에 대한 정상 R-피크값의 평균값을 이용하여 제 1 값을 설정하는 방법 및 검출 영역에 제 1 값을 적용하는 방법에 대한 설명도를 나타낸다.
도 4는 심전도 신호의 복잡도를 이용하는 1차 판단 단계(S120)에 대한 설명도를 나타낸다.
도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 심전도 신호의 복잡도를 이용할 경우 1차 판단 단계(S120)는, 미리 설정된 크기의 윈도우에 대해 산출된 신호의 복잡도가, 미리 설정된 범위를 벗어나는 윈도우의 심전도 신호를 이상 심전도 신호로 판단하는 것을 특징으로 한다.
신호의 복잡도의 산출 방법으로는, 샤논 엔트로피(Shannon Entropy), TPR(Turning Point Ratio) 및 RMSSD(Root Mean Square of the Successive Difference)를 예로 들 수 있다. 신호의 복잡도의 산출 방법은 다양한 종래 공개된 기술을 이용할 수 있으므로, 별도의 설명은 생략하기로 한다.
도 5는 1차 판단 단계(S120)에서 선택된 이상 심전도 신호의 파형들에 대한 설명도를 나타낸다. 도 6은 심전도 신호의 파형의 평균값의 산출 방법에 대한 설명도 및 도 7은 2차 판단 단계(S130)의 판단 결과에 대한 설명도를 각각 나타낸다.
도 5 내지 도 7에 의해 2차 판단 단계(S130)에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
2차 판단 단계(S130)는, 1차 판단 단계(S120)에서 선택된 이상 심전도 신호의 파형과 정상 심전도 신호의 파형을 비교하여, 2차적으로 심전도 신호의 이상 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
2차 판단 단계(S130)에서 사용되는 정상 심전도 신호의 파형은, 미리 설정된 시간 구간 동안의 심전도 신호의 파형의 평균값에 의해 산출된 것을 특징으로 한다. 즉, 미리 설정된 시간 구간에는 N개의 R-피크의 심전도 신호가 포함되어 있고, 각 R-피크를 기준(t)으로 미리 설정된 영역인 (t-a)로부터 (t+b) 구간을 하나의 패턴으로 하여, N개의 심전도 신호 파형의 평균을 산출하여 2차 판단 단계(S130)에서 정상 심전도 신호의 파형으로 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로 2차 판단 단계(S130)는, 1차 판단 단계(S120)에서 선택된 이상 심전도 신호의 R-피크를 기준(t)으로 미리 설정된 영역인 (t-a)에서 (t+b) 구간을 하나의 패턴으로 하여, 각각의 패턴과 정상 심전도 신호의 파형을 비교하게 된다.
2차 판단 단계(S130)에서 사용될 수 있는 비교 방법으로는, 머신러닝 또는 딥러닝과 같은 인공지능을 이용할 수도 있고, 특징점을 이용하는 유사도 판단 방법을 이용할 수도 있다.
도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 10개의 1차 판단 단계(S110)에서 선택된 이상 심전도 신호 중, 2번, 6번, 8번 및 10번의 심전도 신호가 2차 판단 단계(S130)에서 정상 심전도 신호로서 판단되었고, 1번, 3번, 4번, 5번, 7번 및 9번의 심전도 신호가 2차 판단 단계(S130)에서 최종적으로 이상 심전도 신호로서 판단되었다.
도 8은 확정 단계(S140)의 설명도를 나타낸다.
도 8로부터 알 수 있는 바와 같이 확정 단계(S140)는, 2차 판단 단계(S130)에서 이상으로 판단된 심전도 신호의 R-피크를 제외하여, 정상 R-피크를 확정하게 된다.
도 9는, 도 1에 나타낸 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 심전도 신호 처리 방법의 흐름도를 관점을 달리하여 표현한 흐름도이다.
도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 심전도 신호 처리 방법은, 심전도 신호의 R-피크를 검출하는 R-피크 검출 단계(S210); 심전도 신호로부터 이상 R-피크의 후보를 선택하는 단계(S220); S220 단계에서 선택된 후보 중 이상 R-피크를 판단하는 단계(S230); 심전도 신호로부터의 전체 R-피크 중 S230 단계에서 판단된 이상 R-피크를 제외하는 단계(S240); 및 S240 단계에서 확정된 정상 R-피크 사이의 간격을 산출하는 단계(S250);를 포함한다.
S220 단계는, 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격; 및 심전도 신호의 복잡도(Complexity); 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
구체적으로, 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격을 이용할 경우, S220 단계는, 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격을 산출하는 단계(S221a); 및 S221a 단계에서 산출된 R-피크와 R-피크 사이의 간격이 미리 설정된 값 미만인 경우, 해당 R-피크를 이상 R-피크의 후보로 선택하는 단계(S222a);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 심전도 신호의 복잡도를 이용할 경우, S220 단계는, 미리 설정된 윈도우 크기로, 신호의 복잡도를 산출하는 단계(S221b); 및 S221b 단계에서 산출된 신호의 복잡도가 미리 설정된 범위를 벗어나는 윈도우에 포함된 R-피크를 이상 R-피크의 후보로 선택하는 단계(S222b);를 포함하는 것이 바람직하다.
아울러, S230 단계는, S220 단계에서 선택된 R-피크를 나타내는 시간을 기준으로 미리 설정된 시간 구간 동안의 심전도 신호의 파형과 정상 R-피크를 나타내는 심전도 신호의 파형을 비교하여, S220 단계에서 선택된 후보 중 이상 R-피크를 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 정상 R-피크를 나타내는 심전도 신호의 파형은, 미리 설정된 시간 구간 동안의 다수의 R-피크에 대한 심전도 신호의 파형의 평균값에 의해 산출될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 심전도 신호 처리 방법에 따르면, 1 단계에서는 빠르게 이상 심전도 신호의 후보를 검출하고, 2 단계에서는 정확하게 이상 심전도 신호를 최종적으로 판단할 수 있다. 첨언하자면, 1 단계와 같은 처리 없이 2 단계에 의해 이상 심전도 신호를 판단하게 되면, 연산량이 증가하는 데, 1 단계를 추가함에 의해 작은 연산량에 의한 이상 심전도 신호의 판단이 가능하게 되는 것이다.
즉, 본 발명의 심전도 신호 처리 방법에 따르면, 2 단계에 거친 심전도 신호의 이상 여부를 판단하는 것에 의해 이상 심전도 신호를 정확하게 판단할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (17)

  1. 심전도 신호를 이용한 처리 방법에 있어서,
    (a) 심전도 신호로부터 이상 R-피크의 후보를 선택하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 선택된 후보 중 이상 R-피크를 판단하는 단계;
    (c) 상기 심전도 신호로부터 검출된 전체 R-피크 중 상기 (b) 단계에서 판단된 이상 R-피크를 제외하여, 정상 R-피크를 확정하는 단계; 및
    (d) 상기 (c) 단계에서 확정된 정상 R-피크 사이의 간격을 산출하는 단계; 를 포함하되,
    상기 (a) 단계는,
    상기 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격을 이용하고,
    상기 (b) 단계는,
    상기 (a) 단계에서 선택된 R-피크를 나타내는 시간을 기준으로 미리 설정된 시간 구간 동안의 심전도 신호의 파형과 정상 R-피크를 나타내는 심전도 신호의 파형을 비교하여, 상기 (a) 단계에서 선택된 후보 중 이상 R-피크를 판단하고,
    상기 정상 R-피크를 나타내는 심전도 신호의 파형은,
    미리 설정된 시간 구간 동안의 다수의 R-피크에 대한 심전도 신호의 파형의 평균값에 의해 산출된 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a-1-1) 상기 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격을 산출하는 단계; 및
    (a-1-2) 상기 (a-1-1) 단계에서 산출된 R-피크와 R-피크 사이의 간격이 미리 설정된 값 미만인 경우, 해당 R-피크를 이상 R-피크의 후보로 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 심전도 신호를 이용한 처리 방법에 있어서,
    (a) 심전도 신호로부터 이상 R-피크의 후보를 선택하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 선택된 후보 중 이상 R-피크를 판단하는 단계;
    (c) 상기 심전도 신호로부터 검출된 전체 R-피크 중 상기 (b) 단계에서 판단된 이상 R-피크를 제외하여, 정상 R-피크를 확정하는 단계; 및
    (d) 상기 (c) 단계에서 확정된 정상 R-피크 사이의 간격을 산출하는 단계; 를 포함하되,
    상기 (a) 단계는,
    상기 심전도 신호의 복잡도(Complexity)를 이용하고,
    상기 (b) 단계는,
    상기 (a) 단계에서 선택된 R-피크를 나타내는 시간을 기준으로 미리 설정된 시간 구간 동안의 심전도 신호의 파형과 정상 R-피크를 나타내는 심전도 신호의 파형을 비교하여, 상기 (a) 단계에서 선택된 후보 중 이상 R-피크를 판단하고,
    상기 정상 R-피크를 나타내는 심전도 신호의 파형은,
    미리 설정된 시간 구간 동안의 다수의 R-피크에 대한 심전도 신호의 파형의 평균값에 의해 산출된 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a-2-1) 미리 설정된 윈도우 크기로, 신호의 복잡도를 산출하는 단계; 및
    (a-2-2) 상기 (a-2-1) 단계에서 산출된 신호의 복잡도가 미리 설정된 범위를 벗어나는 윈도우에 포함된 R-피크를 이상 R-피크의 후보로 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 심전도 신호를 이용한 처리 방법에 있어서,
    1차적으로 심전도 신호의 이상 여부를 판단하는 1차 판단 단계;
    상기 1차 판단 단계의 결과를 이용하여, 2차적으로 심전도 신호의 이상 여부를 판단하는 2차 판단 단계;
    상기 심전도 신호로부터 검출된 전체 R-피크 중 상기 2차 판단 단계에서 이상으로 판단된 심전도 신호의 R-피크를 제외하여, 정상 R-피크를 확정하는 확정 단계; 및
    상기 확정 단계에서 확정된 정상 R-피크 사이의 간격을 산출하는 단계;를 포함하되,
    상기 1차 판단 단계는,
    상기 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격; 및 상기 심전도 신호의 복잡도(Complexity); 중 적어도 하나를 이용하고,
    상기 2차 판단 단계는,
    상기 1차 판단 단계에서 이상 심전도 신호로 판단된 심전도 신호의 파형과 정상 심전도 신호의 파형을 비교하여, 상기 1차 판단 단계에서 이상 심전도 신호로 판단된 심전도 신호에 대해 2차적으로 심전도 신호의 이상 여부를 판단하고,
    상기 정상 심전도 신호의 파형은,
    미리 설정된 시간 구간 동안의 심전도 신호의 파형의 평균값에 의해 산출된 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 1차 판단 단계는,
    상기 심전도 신호의 R-피크와 R-피크 사이의 간격이 미리 설정된 값 미만인 경우, 해당 R-피크를 이상 R-피크로 1차 판단하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 1차 판단 단계는,
    미리 설정된 크기의 윈도우에 대해 산출된 신호의 복잡도가, 미리 설정된 범위를 벗어나는 윈도우의 심전도 신호를 이상 심전도 신호로 판단하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
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