KR102483567B1 - Method and system for predicting HRV index of 5 minutes or 3 minutes based on artificial intelligence from HRV data of less than 3 minutes - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 짧은 측정구간, 즉, 3 분미만의 짧은 시간동안에 측정된 심박변이도(HRV)를 이용하여, 표준 권고안의 5분 (또는 3분) 측정시와 같은 심박변이도 지표를 출력하도록 기 학습된 인공신경망에, 3분 미만의 짧은 시간 동안 측정된 심박변이도를 입력하고, 인공신경망에서 출력된 심박변이도 지표를, 5분(또는 3 분)의 심박변이도(HRV) 지표로서 출력하는, 3 분미만의 짧은 측정구간의 심박변이도 데이터로부터 5분(또는 3분)의 심박변이도 지표를 예측하는 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템은, 3분 미만 측정구간 동안에, 피검자로부터 심박 데이터를, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로서, 검출하는, 심박 측정장치; 심박 측정장치로부터 수신된 3분 미만 측정구간 심박데이터를, 기 훈련된, 딥러닝을 이용하는 인공신경망의 HRV(심박변이도) 지표 예측 모델에 적용하고, HRV 지표 예측 모델로부터 출력된 HRV 지표를, 3분 또는 5분의 HRV 지표로서 출력하는, 연산처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 HRV 지표 예측 모델의 입력 데이터로서, 심박 측정장치로부터 수신된 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 선형회귀식을 구하고, 상기 선형회귀식을 이용하여, 3분 심박 데이터 또는 5분 심박 데이터를, 예측 3분 심박 데이터 또는 예측 5분 심박 데이터로서, 검출하고, 예측 3분 심박 데이터 또는 예측 5분 심박 데이터를 FFT(고속푸리에변환)를 행하여 구하여진, 예측된 3분 심박 FFT 데이터 또는 예측 5분 심박 FFT 데이터를, 포함한다.
The present invention uses the heart rate variability (HRV) measured for a short measurement period, that is, less than 3 minutes, to output the same heart rate variability index as when measuring 5 minutes (or 3 minutes) of the standard recommendation. The heart rate variability measured for a short time of less than 3 minutes is input to the artificial neural network, and the heart rate variability index output from the artificial neural network is output as a heart rate variability (HRV) index of 5 minutes (or 3 minutes). A method and system for predicting a heart rate variability index of 5 minutes (or 3 minutes) from heart rate variability data of a short measurement period of less than 10 minutes.
The system for predicting a heart rate variability index of 5 minutes or 3 minutes from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes of the present invention detects heart rate data from a subject as heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes during a measurement period of less than 3 minutes , heart rate monitor; The heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes received from the heart rate measuring device is applied to the HRV (heart rate variability) index prediction model of the previously trained artificial neural network using deep learning, and the HRV index output from the HRV index prediction model is 3 Characterized in that it includes; a calculation processing unit that outputs as a minute or five-minute HRV indicator.
As the input data of the HRV index prediction model of the present invention, a linear regression equation is obtained from the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes received from the heart rate measuring device, and the 3-minute heart rate data or the 5-minute heart rate data is obtained by using the linear regression equation , predicted 3-minute heart rate data or predicted 5-minute heart rate data, obtained by detecting and performing FFT (Fast Fourier Transform) on the predicted 3-minute heart rate data or predicted 5-minute heart rate data, or predicted 3-minute heart rate FFT data or prediction 5 Contains heart rate FFT data, per minute.

Description

인공지능 기반의 3분 미만 측정구간의 심박변이도 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 방법 및 그 시스템 {Method and system for predicting HRV index of 5 minutes or 3 minutes based on artificial intelligence from HRV data of less than 3 minutes}Method and system for predicting HRV index of 5 minutes or 3 minutes based on artificial intelligence from HRV data of less than 3 minutes}

본 발명은, 짧은 측정구간, 즉, 3 분미만의 짧은 시간동안에 측정된 심박변이도(HRV)를 이용하여, 표준 권고안의 5분 (또는 3분) 측정시와 같은 심박변이도 지표를 출력하도록 기 학습된 인공신경망에, 3분 미만의 짧은 시간 동안 측정된 심박변이도를 입력하고, 인공신경망에서 출력된 심박변이도 지표를, 5분(또는 3 분)의 심박변이도(HRV) 지표로서 출력하는, 짧은 측정구간의 심박변이도 데이터로부터 5분(또는 3분)의 심박변이도 지표를 예측하는 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.The present invention uses the heart rate variability (HRV) measured for a short measurement period, that is, less than 3 minutes, to output the same heart rate variability index as when measuring 5 minutes (or 3 minutes) of the standard recommendation. A short measurement that inputs heart rate variability measured for a short time of less than 3 minutes to the artificial neural network, and outputs the heart rate variability index output from the artificial neural network as a 5-minute (or 3-minute) heart rate variability (HRV) index. A method and system for predicting a 5-minute (or 3-minute) heart rate variability index from heart rate variability data of a section and a system thereof.

심박변이도(Heart Rate Variability : 이하 HRV) 검사는 자율신경계 조절 기능을 평가할 수 있는 유용하고 간단한 비침습적인 방법이다. HRV는 연속적인 심장 박동과 박동 사이의 시간간격을 시계열 데이터로 표현한 것이다. The heart rate variability (HRV) test is a useful, simple, and non-invasive method to evaluate the autonomic nervous system control function. HRV is a representation of successive heart beats and the time interval between beats as time series data.

HRV를 분석한 결과인, HRV 지표는 HRV 신호를 시간영역에서 분석한 결과의 지표인, HRV 시간영역 지표와, HRV 신호를 주파수영역에서 분석한 결과의 지표인, HRV 주파수영역 지표를 포함한다. HRV 시간영역 지표로는 평균심박수 (mean heart rate :mHR), SDNN(standard deviation of normal-to-normal interval), RMSSD(root mean square differences of successive R-R intervals) 등이 있으며, HRV 주파수영역 지표로는 VLF(very low frequency, range < = 0.04Hz), LF(power in low frequency, range 0.04~0.15Hz), HF(power in high frequency, range 0.15~0.4Hz) 그리고 LF/HF 등이 있다. HRV 지표들에 대해서는 특허등록 제10-0493714호에 상세히 기재되어 있어, 이에대한 보다 상세한 설명은 생략한다.The HRV index, which is a result of analyzing the HRV, includes an HRV time domain index, which is an index of a result of analyzing the HRV signal in the time domain, and an HRV frequency domain index, which is an index of a result of analyzing the HRV signal in the frequency domain. HRV time domain indicators include mean heart rate (mHR), SDNN (standard deviation of normal-to-normal interval), RMSSD (root mean square differences of successive R-R intervals), and HRV frequency domain indicators include There are VLF (very low frequency, range <= 0.04Hz), LF (power in low frequency, range 0.04~0.15Hz), HF (power in high frequency, range 0.15~0.4Hz) and LF/HF. Since the HRV indicators are described in detail in Patent Registration No. 10-0493714, a detailed description thereof will be omitted.

이러한 지표를 얻기 위해서는 시계열 데이터의 측정시간이 중요한 문제가 될 수 있다. 시간영역 지표들은 시간에 의존적 일 수밖에 없다. SDNN 이나 RMSSD 같은 경우는 특히 측정시간이 길어질수록 크기가 증가된다. 따라서 반드시 HRV 시간 영역 지표들은 측정시간이 같은 것끼리 비교해야 한다. 주파수 영역 지표 중 가장 긴 주기를 갖는 VLF 의 주파수 대역이 0.04Hz 이하 인데, 시간으로 표현하면 25초 이상의 주기를 갖는다. 보통 10 번 정도 반복된 주기를 살펴본다는 의미에서 25초의 10 배인 250 초, 대략 5 분 측정시간을 권고하고 있다. 또한 고속퓨리에변환(Fast Fourier Transformation : FFT)에서 VLF, LF, HF 영역을 구분할 수 있는 주파수 영역 해상도를 확보하기 위해서도 5 분 측정시간이 적절하다. 따라서 24 시간 HRV 와 같은 장시간 분석에서는 5 분 세그먼트로 나누어 시간, 주파수 영역 지표를 계산한다. In order to obtain these indicators, the measurement time of time series data can be an important issue. Time-domain indicators are bound to be time-dependent. In the case of SDNN or RMSSD, in particular, the size increases as the measurement time increases. Therefore, HRV time domain indicators must be compared with those of the same measurement time. The frequency band of the VLF having the longest period among the frequency domain indicators is 0.04 Hz or less, and expressed in terms of time, it has a period of 25 seconds or more. In the sense of looking at a cycle repeated about 10 times, a measurement time of 250 seconds, which is 10 times 25 seconds, is recommended, approximately 5 minutes. In addition, a measurement time of 5 minutes is appropriate to secure frequency domain resolution capable of distinguishing VLF, LF, and HF domains in Fast Fourier Transformation (FFT). Therefore, in a long-term analysis, such as 24-hour HRV, the time and frequency domain metrics are calculated by dividing into 5-minute segments.

가이드라인의 5 분 측정 권고에도 불구하고 오늘날 발표되는 많은 연구논문이나 임상응용에서 연구목적 및 상황에 따라 2 분, 3 분, 5 분, 10 분 그리고 15 분 측정 데이터 등 서로 다른 측정시간을 이용하고 있다. 가이드라인의 5 분 측정 권고는 유럽 심장 학회, 북미 페이싱 학회 및 전기 생리학회의 태스크 포스 (Task Force of the European Society of Cardiology, the North American Society of Pacing, and Electrophysiology)에 의한 1996년에 빌표된 "심박변이 : 측정 기준, 생리학적 해석 및 임상 사용 (Heart rate variability: standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use)" 에 기재되어 있다.Despite the recommendation of 5-minute measurement in the guidelines, many research papers and clinical applications published today use different measurement times such as 2-minute, 3-minute, 5-minute, 10-minute, and 15-minute measurement data depending on the research purpose and situation. there is. The guideline's recommendation for a 5-minute measurement is based on the 1996 draft "Heart Rate" by the Task Force of the European Society of Cardiology, the North American Society of Pacing, and Electrophysiology "Heart rate variability: standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use".

또한 최근 모바일, 웨어러블 기술의 발달로 손쉽게 HRV 신호를 획득할 수 있게 되었고, 대다수 장비들이 보다 짧은 측정시간을 요구하고 있다. In addition, with the recent development of mobile and wearable technologies, it has become possible to easily acquire HRV signals, and most devices require shorter measurement times.

2015년 이병채 등은 대한가정의학회의 학술지(Korean J Fam Pract.)에 발표된 “ 3 분과 5 분 동안 시행한 심박변이도(Heart Rate Variability: HRV)의 비교를 통한 임상적 유용성”을 통해 가이드라인에서 권고하는 5 분 동안의 심박변이도와 3 분 동안의 심박변이도 결과에 유의한 차이가 없었으며, 검사 전에 충분한 휴식을 취한다면 3 분 동안의 결과 값을 5분 측정 데이터로 간주할 수 있을 것이라 하였다. 즉, 5분 측정 데이터 대신에, 3 분 측정 데이터를 사용할 수 있음을 알 수 있다.In 2015, Byung-chae Lee et al. published in the Korean J Fam Pract., “Clinical usefulness through comparison of heart rate variability (HRV) performed for 3 minutes and 5 minutes” in the guidelines of the Korean Society of Family Medicine (Korean J Fam Pract.) There was no significant difference between the recommended 5-minute heart rate variability and 3-minute heart rate variability results, and it was said that if sufficient rest was taken before the test, the result value for 3 minutes could be regarded as 5-minute measurement data. That is, it can be seen that 3-minute measurement data can be used instead of 5-minute measurement data.

2017년 이병채 등은 대한임상건강증진학회의 학술지(Korean J Health Promot)에 발표된 “심박동수 변이검사의 신뢰성에 영향을 미치는 최소 측정시간” 에서는 5 분 동안 측정한 데이터를 30 초간격의 세그먼트로 나누어, 5 분 데이터의 지표들과 5 분이하의 짧은 구간에서 측정한 지표들을 비교하였다. 이 연구에서는 지표별로 5 분 데이터와 통계적으로 유의한 차이가 없는 신뢰할 수 있는 최소 측정시간을 제공하였다. 표준 권고안인 5분 심박동수 변이검사 결과와 비교 하였을 때, 통계적으로 유의한 차이가 없는 최소 측정시간은 변수별로 각각 SDNN 180 초, NN50 270 초, TP, LFn 및 HFn 은 180 초였다. 심박동수 변이검사의 최소 측정시간은 180 초(3 분) 이상이 되어야 한다고 하였다. 시간영역 지표 중 평균심박수나 RMSSD 같은 지표는 30초 측정으로도 신뢰성 있는 값을 얻을 수 있기 때문에 대부분의 비의료용 웨어러블 장비에서는 RMSSD 를 주된 지표로 이용한다. 그러나, 자율신경계 조절 능력을 평가하기 위해서는 시간영역 지표와 더불어 최소 180 초 이상의 측정시간이 요구되는 주파수 영역의 지표가 확보되어야 한다. 5 분(또는 3분) 데이터를 참(Truth) 값으로 보았을 때 3 분미만의 측정시간을 통해 얻어진 주파수 영역 데이터는 참값과 비교하여 유의한 차이가 있어서 임상적으로 사용할 수가 없었다. In 2017, Byeong-chae Lee et al., in “The Minimum Measurement Time Affecting the Reliability of Heart Rate Variation Test” published in the journal of the Korean Society for Clinical Health Promotion (Korean J Health Promot), measured data for 5 minutes into segments at 30-second intervals. Divided, the indicators of the 5-minute data and the indicators measured in a short period of 5 minutes or less were compared. In this study, reliable minimum measurement time with no statistically significant difference from the 5-minute data for each indicator was provided. When compared with the standard recommended 5-minute heart rate variability test results, the minimum measurement time without a statistically significant difference was 180 seconds for SDNN, 270 seconds for NN50, and 180 seconds for TP, LFn, and HFn for each variable, respectively. It was suggested that the minimum measurement time for heart rate variability test should be more than 180 seconds (3 minutes). Among the time domain indicators, indicators such as average heart rate and RMSSD can obtain reliable values even after 30 seconds of measurement, so most non-medical wearable devices use RMSSD as the main indicator. However, in order to evaluate the ability to regulate the autonomic nervous system, an index in the frequency domain, which requires a measurement time of at least 180 seconds, must be secured along with the index in the time domain. When the 5-minute (or 3-minute) data was viewed as a true value, the frequency domain data obtained through a measurement time of less than 3 minutes had a significant difference compared to the true value, so it could not be used clinically.

따라서 통계적인 유의성에 따라 측정시간을 더 이상 단축시킬 수 없기 때문에, 본 발명은, 짧은 측정구간의 데이터로 5 분 또는 3 분데이터의 지표를 예측하는 방법을 제안한다. Therefore, since the measurement time cannot be further shortened according to statistical significance, the present invention proposes a method of predicting indicators of 5-minute or 3-minute data with data of a short measurement interval.

본 발명에서는 지표예측을 위해 최근 활발히 연구되고 활용되고 있는 인공지능 기법인 딥러닝을 적용한다. 또한, 본 발명에서는 1 분동안 측정한 데이터를 학습모델의 입력 데이터로 하고, 3 분 동안 측정한 데이터의 HRV 지표 값을 예측하도록 학습하여 사용된다.In the present invention, deep learning, an artificial intelligence technique that has been actively researched and utilized recently, is applied for index prediction. In addition, in the present invention, the data measured for 1 minute is used as input data of the learning model, and the data measured for 3 minutes is used by learning to predict the HRV index value.

국내 등록특허 제10-1273652호와 같이, 심박변이도를 인공신경망에 적용하여, 심근허혈 등을 예측하는 방법은 다수 있지만, 본 발명과 같이, 짧은 시간동안 심박변이도(HRV)를 기 학습된 인공신경망에 입력하고, 인공신경망에서 출력된 5분(또는 3분)의 심박변이도(HRV)를 이용하여, 심박변이도(HRV) 지표를 검출하도록 이루어진 기술과 관련된 선행기술은 찾을 수 없었다.There are many methods for predicting myocardial ischemia by applying heart rate variability to an artificial neural network, such as in Korean Patent Registration No. 10-1273652. , and using the 5-minute (or 3-minute) heart rate variability (HRV) output from the artificial neural network to detect the heart rate variability (HRV) index, no prior art related to the technology could be found.

본 발명이 이루고자 하는 과제는, 짧은 측정구간, 즉, 3 분미만의 짧은 시간동안에 측정된 심박변이도(HRV)를 이용하여, 표준 권고안의 5분 또는 3분 측정시와 같은 심박변이도 지표를 출력하도록 기 학습된 인공신경망에, 3분 미만의 짧은 시간 동안 측정된 심박변이도를 입력하고, 인공신경망에서 출력된 심박변이도 지표를, 5분(또는 3 분)의 심박변이도(HRV) 지표로서 출력하는, 짧은 측정구간의 심박변이도 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 방법 및 그 시스템을 제공하는 것이다.An object to be achieved by the present invention is to use heart rate variability (HRV) measured in a short measurement period, that is, less than 3 minutes, to output a heart rate variability index, such as the 5-minute or 3-minute measurement of the standard recommendation. Inputs the heart rate variability measured for a short time of less than 3 minutes to the pre-learned artificial neural network, and outputs the heart rate variability index output from the artificial neural network as a 5-minute (or 3-minute) heart rate variability (HRV) index, A method and system for predicting a 5-minute or 3-minute heart rate variability index from heart rate variability data of a short measurement period are provided.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템은, 3분 미만 측정구간 동안에, 피검자로부터 심박 데이터를, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로서, 검출하는, 심박 측정장치; 심박 측정장치로부터 수신된 3분 미만 측정구간 심박데이터를, 기 훈련된, 딥러닝을 이용하는 인공신경망의 HRV(심박변이도) 지표 예측 모델에 적용하고, HRV 지표 예측 모델로부터 출력된 HRV 지표를, 3분 또는 5분의 HRV 지표로서 출력하는, 연산처리부;를 포함하여 이루어진다.In order to solve the above problems, the system for predicting the heart rate variability index of 5 minutes or 3 minutes from the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes of the present invention, during the measurement period of less than 3 minutes, the heart rate data from the subject, the measurement period of less than 3 minutes As heart rate data, detecting, a heart rate measuring device; The heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes received from the heart rate measuring device is applied to the HRV (heart rate variability) index prediction model of the previously trained artificial neural network using deep learning, and the HRV index output from the HRV index prediction model is 3 It includes; a calculation processing unit that outputs as a minute or five-minute HRV indicator.

연산처리부는, 3분 미만 측정구간 심박데이터를 이용하여, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터 및 HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터를 생성하되, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터는 기 설정된 데이터 크기를 가지며, 연산처리부가, 상기 데이터 크기 내에서, 심박 측정장치로부터 수신된 3분 미만 측정구간 심박 데이터를 중앙에 배치시키고, 중앙에 배치된 3분 미만 측정구간 심박 데이터의 앞과 뒤를, 3분 미만 측정구간 심박 데이터의 평균치로 채운 데이터를, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터로 한다.The calculation processing unit generates first input data of the HRV indicator prediction model and second input data of the HRV indicator prediction model using the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes, wherein the first input data of the HRV indicator prediction model has a preset data size Within the data size, the calculation processing unit arranges the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes received from the heart rate measuring device in the center, and the front and back of the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes arranged in the center are less than 3 minutes. The data filled with the average value of the heart rate data in the measurement period is used as the first input data of the HRV index prediction model.

연산처리부가, 심박 측정장치로부터 수신된 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 선형회귀식을 구하고, 상기 선형회귀식을 이용하여, 3분 심박 데이터 또는 5분 심박 데이터를, 예측 3분 심박 데이터 또는 예측 5분 심박 데이터로서, 검출하고, 예측 3분 심박 데이터 또는 예측 5분 심박 데이터를 FFT(고속푸리에변환)를 행하여 구하여진, 예측된 3분 심박 FFT 데이터 또는 예측 5분 심박 FFT 데이터를, HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터로 한다.The calculation processing unit obtains a linear regression equation from the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes received from the heart rate measuring device, and using the linear regression equation, the 3-minute heart rate data or the 5-minute heart rate data is predicted, the 3-minute heart rate data or the prediction As the 5-minute heart rate data, predicted 3-minute heart rate FFT data or predicted 5-minute heart rate FFT data obtained by performing FFT (Fast Fourier Transform) on the predicted 3-minute heart rate data or the predicted 5-minute heart rate data, as an HRV index It is used as the second input data of the predictive model.

HRV 지표는, 평균 RR간격(mRR), 평균심박수(mean heart rate, mHR), SDNN(standard deviation of normal-to-normal interval), RMSSD(root mean square differences of successive R-R intervals), 5분간 전체 강도(5-minute total power, TP), VLF(very low frequency, 초 저주파수대역 강도), LF(power in low frequency, 저주파수대역 강도), HF(power in high frequency, 고주파수대역 강도), 저주파수대역의 정규화된 강도(normalized LF, nLF), 고 주파수대역의 정규화된 강도(normalized HF, nHF), LF/HF (LF/HF ratio, 저주파수대 고주파수의 대역 강도비) 중 하나 이상을 포함한다.HRV indicators are mean RR interval (mRR), mean heart rate (mHR), SDNN (standard deviation of normal-to-normal interval), RMSSD (root mean square differences of successive R-R intervals), 5-minute total intensity (5-minute total power, TP), VLF (very low frequency), LF (power in low frequency, low frequency), HF (power in high frequency, high frequency), low frequency normalization It includes one or more of normalized intensity (normalized LF, nLF), normalized intensity of high frequency band (normalized HF, nHF), and LF/HF (LF/HF ratio, band intensity ratio of low frequency band to high frequency band).

연산처리부는, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터를 플롯 타잎(float type)의 (0, 1) 값으로 정규화하여, HRV 지표 예측 모델에 입력한다.The operation processing unit normalizes the first input data of the HRV index prediction model to a (0, 1) value of a float type, and inputs the normalized data to the HRV index prediction model.

연산처리부는, HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터를, 플롯 타잎(float type)의 (0, 1) 값으로 정규화하여, HRV 지표 예측 모델에 입력한다.The calculation processing unit normalizes the second input data of the HRV index prediction model to a (0, 1) value of a float type, and inputs the data to the HRV index prediction model.

3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템의 구동방법은, 심박 측정장치로부터, 3분 미만 측정구간 동안에, 피검자로부터 심박 데이터를, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로서, 검출하는, 심박 측정단계; 연산처리부는, 심박 측정장치로부터 3분 미만 측정구간 심박데이터를 수신하고, 수신된 3분 미만 측정구간 심박데이터를, 기 훈련된, 딥러닝을 이용하는 HRV(심박변이도) 지표 예측 모델에 적용하고, HRV 지표 예측 모델로부터 출력된 HRV 지표를, 3분 또는 5분의 HRV 지표로서 출력하는, HRV 지표 예측단계;를 포함한다.The driving method of the system for predicting the heart rate variability index of 5 minutes or 3 minutes from the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes is to obtain the heart rate data from the subject during the measurement period of less than 3 minutes from the heart rate measuring device, and the heart rate of the measurement period of less than 3 minutes. heart rate measurement step, detecting as data; The calculation processing unit receives heart rate data for a measurement period of less than 3 minutes from the heart rate measuring device, and applies the received heart rate data for a measurement period of less than 3 minutes to a pre-trained heart rate variability (HRV) indicator prediction model using deep learning, HRV index prediction step of outputting the HRV index output from the HRV index prediction model as a 3-minute or 5-minute HRV index.

HRV 지표 예측단계는, 예측모델 입력데이터 생성단계를 포함하되, 예측모델 입력데이터 생성단계는, 연산처리부(200)는, 심박 측정단계에서 측정된 3분 미만 측정구간 심박 데이터를 수신하고, 수신된 3분 미만 측정구간 심박 데이터에서 잡음을 제거하고, 잡음이 제거된 3분 미만 측정구간 심박 데이터를, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터로서, 메모리부에 저장하는, 잡음제거 단계; 연산처리부는, 잡음제거 단계에서 잡음이 제거된 3분 미만 측정구간 심박 데이터에서, 잡음이 제거된 부분의 데이터를 보간(interpolation)하는, 보간단계; 연산처리부는, 보간단계에서 보간된 3분 미만 측정구간 심박 데이터를, 기 설정된 샘플링 레이트로, 다시 생플링하는, 리샘플링단계; 연산처리부는, 리샘플링단계에서 리샘플링된 3분 미만 측정구간 심박 데이터에서 선형 회귀(linear regression)식을 구하는, 선형회귀식 추출단계; 연산처리부는, 선형회귀식 추출단계에서 구하여진 선형회귀식을 이용하여, 예측된 3분 데이터 또는 예측된 5분 데이터를, 예측 심박 데이터로서, 생성하는, 예측 심박 데이터 생성단계; 연산처리부는, 예측 심박 데이터 생성단계에서 생성된 예측 심박 데이터를 FFT(고속푸리에변환)을 행하여, FFT된 예측 심박 데이터를, 메모리부에 저장하는, FFT 단계;를 포함한다. The HRV indicator prediction step includes the prediction model input data generation step, wherein the prediction model input data generation step includes the operation processing unit 200 receiving the heart rate data of the less than 3-minute measurement section measured in the heart rate measurement step, and receiving the received heart rate data. removing noise from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes and storing the noise-removed heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes as real heart rate data of less than 3 minutes in a memory unit; An interpolation step of interpolating the data of the noise-removed part in the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes from which the noise was removed in the noise-removal step; a resampling step of, by the calculation processing unit, re-sampling the heart rate data of the measurement interval of less than 3 minutes interpolated in the interpolation step at a preset sampling rate; The calculation processing unit may include a linear regression equation extraction step of obtaining a linear regression equation from the heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes resampled in the resampling step; a predicted heart rate data generation step of generating, as predicted heart rate data, the predicted 3-minute data or the predicted 5-minute data by using the linear regression equation obtained in the linear regression equation extraction step; The arithmetic processing unit performs an FFT (Fast Fourier Transform) on the predicted heart rate data generated in the predicted heart rate data generating step, and stores the FFT predicted heart rate data in a memory unit.

HRV 지표 예측단계는, 전처리 단계를 더 포함하되, 전처리 단계는, 연산처리부는, 잡음제거 단계에서 잡음이 제거된 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터를, 기설정된 데이터 크기로, 변환하되, 상기 데이터 크기 내에서, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터는 중앙에 배치하고, 배치된 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터의 앞뒤를, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터의 평균값으로 채운 데이터를, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터로 하고, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터를 플롯 타잎(float type)의 (0, 1) 값으로 정규화하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터의 크기조정 및 정규화단계; 연산처리부는, 상기 FFT 단계에서 FFT된 예측 심박 데이터를, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터로서, float type의 (0, 1) 값으로 정규화하는, 정규화된 예측용 데이터 생성단계;를 포함한다.The HRV index prediction step further includes a preprocessing step, wherein the preprocessing step converts the actual heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes, from which noise is removed in the noise removal step, to a preset data size, Within the size, the actual heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes is placed in the center, and the front and back of the actual heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes is filled with the average value of the actual heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes. Resizing and normalizing the heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes, taking the model first input data and normalizing the HRV index prediction model first input data to a (0, 1) value of a float type; The operation processing unit normalizes the predicted heart rate data FFTed in the FFT step as first input data of the HRV index prediction model to a float type (0, 1) value, normalized predictive data generation step; includes.

HRV 지표 예측단계는, 연산처리부는, 정규화된 HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터, 정규화된 HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터를, 인공신경망의 HRV 지표 예측 모델에 입력하여 HRV 지표 예측 모델을 실행하는, HRV 지표 예측 모델 구동단계를 더 포함한다.In the HRV indicator prediction step, the operation processing unit inputs the normalized HRV indicator prediction model first input data and the normalized HRV indicator prediction model second input data to the HRV indicator prediction model of the artificial neural network to execute the HRV indicator prediction model , HRV indicator prediction model driving step is further included.

연산처리부는, 인공신경망의 HRV 지표 예측 모델의 훈련을 위해, 심박측정장치로 측정된, 3분 심박 데이터인 또는 5분 심박 데이터를, HRV 원시 데이터로서 수신하고, 수신된 HRV 원시 데이터로부터, 3분 미만의 기 설정된 시간단위로, 3분 미만 심박 데이터를, 3분 미만 학습용 심박 데이터로서 추출하고, 추출된 3분 미만 학습용 심박 데이터를, 기설정된 데이터 크기로, 변환하되, 상기 데이터 크기 내에서,3분 미만 학습용 심박 데이터는 중앙에 배치하고, 배치된 3분 미만 학습용 심박 데이터의 앞뒤를, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터의 평균값으로 채운 데이터를, 학습용 제1 데이터로 하고, 3분 미만 학습용 심박 데이터를 이용하여 선형회귀식을 구하고, 상기 선형회귀식을 이용하여, 3분 심박 데이터 또는 5분 심박 데이터를, 예측 심박 데이터로서, 검출하고, 상기 예측 심박 데이터를 FFT(고속푸리에변환)를 행하진 데이터를, 학습용 제2 데이터로 하고, HRV 원시 데이터로부터 HRV 지표를 검출하여 학습용 정답 데이터로 하고, 학습용 제1 데이터, 학습용 제2 데이터 및 학습용 정답 데이터를 이용하여, 인공신경망의 HRV 지표 예측 모델을 훈련시킨다.The calculation processing unit receives 3-minute heart rate data or 5-minute heart rate data measured by the heart rate measuring device as HRV raw data for training of the HRV indicator prediction model of the artificial neural network, and from the received HRV raw data, 3 In a preset time unit of less than 3 minutes, heart rate data for less than 3 minutes is extracted as heart rate data for training of less than 3 minutes, and the extracted heart rate data for learning for less than 3 minutes is converted to a preset data size, but within the data size ,The heart rate data for learning less than 3 minutes is placed in the center, and the data filled with the average value of the actual heart rate data for the measurement period less than 3 minutes before and after the arranged heart rate data for learning less than 3 minutes is used as the first data for learning, and the heart rate data for less than 3 minutes A linear regression equation is obtained using the training heartbeat data, and 3-minute heartbeat data or 5-minute heartbeat data is detected as predicted heartbeat data using the linear regression equation, and FFT (Fast Fourier Transform) is performed on the predicted heartbeat data. is used as the second data for learning, and the HRV index is detected from the HRV raw data as the correct answer data for learning, and the first data for learning, the second data for learning, and the correct answer data for learning are used to calculate the HRV index of the artificial neural network Train a predictive model.

본 발명은, 짧은 측정구간, 즉, 3 분미만의 짧은 시간동안에 측정된 심박변이도(HRV)를 이용하여, 표준 권고안의 5분 (또는 3분) 측정시와 같은 심박변이도 지표를 출력하도록 기 학습된 인공신경망에, 3분 미만의 짧은 시간 동안 측정된 심박변이도를 입력하고, 인공신경망에서 출력된 심박변이도 지표를, 5분(또는 3 분)의 심박변이도(HRV) 지표로서 출력하는, 짧은 측정구간의 심박변이도 데이터로부터 5분(또는 3분)의 심박변이도 지표를 예측하는 방법 및 그 시스템을 제공한다. The present invention uses the heart rate variability (HRV) measured for a short measurement period, that is, less than 3 minutes, to output the same heart rate variability index as when measuring 5 minutes (or 3 minutes) of the standard recommendation. A short measurement that inputs heart rate variability measured for a short time of less than 3 minutes to the artificial neural network, and outputs the heart rate variability index output from the artificial neural network as a 5-minute (or 3-minute) heart rate variability (HRV) index. A method and system for predicting a 5-minute (or 3-minute) heart rate variability index from heart rate variability data of a section are provided.

본 발명의 방법이 신뢰성을 검증하기 위해, 인공지능 기법인 딥러닝을 적용하여, 1 분동안 측정한 데이터를 학습모델의 입력 데이터로 하고, 3 분 동안 측정한 데이터의 HRV 지표 값을 예측하도록 학습시켰으며, 이러게 학습된 인공신경망의 적용결과(즉, 예측값)과, 실제값이 통계적으로 유의한 차이가 발생하는 지 여부를 검증한 결과, 유의한 차이가 없으므로 임상적으로 사용할 수가 있음을 확인했다. 즉, 이전 연구 결과에 따르면 임상적으로 신뢰성 있는 HRV 지표를 얻기 위해서는 최소 3 분이상의 측정시간이 필요하였던 것을, 본 발명에서는, 딥러닝 학습을 통해 1 분 동안의 측정시간을 통해서도 이를 가능하게 하였다.In order to verify the reliability of the method of the present invention, deep learning, an artificial intelligence technique, is applied, the data measured for 1 minute is used as the input data of the learning model, and the HRV index value of the data measured for 3 minutes is learned to predict As a result of verifying whether there is a statistically significant difference between the application result of the artificial neural network learned in this way (i.e., the predicted value) and the actual value, it was confirmed that it can be used clinically because there is no significant difference. did. In other words, according to the results of previous studies, a measurement time of at least 3 minutes was required to obtain a clinically reliable HRV index, but in the present invention, it is possible through a measurement time of 1 minute through deep learning learning.

이렇게 함으로써, 빠른 시간에 측정한 HRV 데이터로도, HRV 데이터를 이용하는, 다양한 의료장치 및 생활기기에서, 정확도 높은 데이터로서 사용할 수 있다. 즉, HRV 측정시간이 장시간 요구되지 않는 의료장치 및 생활기기의 개발이 가능하다.In this way, even HRV data measured in a short time can be used as highly accurate data in various medical devices and household appliances using HRV data. That is, it is possible to develop medical devices and household devices that do not require a long HRV measurement time.

도 1은 본 발명의 짧은 측정구간의 심박변이도 데이터로, 5분 또는 3분의 심박변이도 데이터의 지표를 예측하는 시스템의 구성을 대하여 개략적으로 설명하는 설명도이다.
도 2는 본 발명의 HRV 지표 예측 모델의 입력데이터 형태 및 학습 레이블을 설명하기 위한 설명도이다.
도 3은 본 발명의 인공신경망에서 학습 데이터 생성과정을 설명하는 개략적인 흐름도이다.
도 4는 도 3의 학습용 데이터를 생성하는 단계(S200)에서 1분 데이터 생성방법의 일예를 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 도 3의 학습용 데이터를 생성하는 단계(S200)를 설명하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 인공지능 학습을 위한 데이터의 구성을 설명하는 설명도이다.
도 7은 본 발명의 인공지능 학습과정을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 8은 도 7의 학습관련 데이터 전처리 단계(510)을 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 인공지능에서 짧은 측정구간(3분 미만)의 심박변이도 데이터로, 5분 또는 3분의 심박변이도 데이터의 지표를 예측하는 예측과정을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 10은 도 9의 예측용 입력데이터인, 짧은 측정구간(1분 데이터) 생성을 설명하기 위한설명도이다.
도 11은 도 9의 예측용 입력데이터 전처리 단계를 설명하는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 LF/HF 예측부의 LF/HF 예측 모델의 인공 신경망(neural network) 구성의 일예에 대한 설명도이다.
도 13은 본 발명의 평균심박수(mHR) 예측부의 평균심박수(mHR) 예측 모델의 인공 신경망 구성의 일예에 대한 설명도이다.
도 14는 본 발명의 RMSSD 예측부의 RMSSD 예측 모델의 인공 신경망 구성의 일예에 대한 설명도이다.
도 15는 본 발명의 SDNN 예측부의 SDNN 예측 모델의 인공 신경망 구성의 일예에 대한 설명도이다.
도 16은 본 발명의 기타 변수의 예측 모델의 인공 신경망 구성의 일예에 대한 설명도이다,
도 17은 SDNN 학습 epoch에 대한 손실값의 추이의 일예이다.
도 18은 TP 지표의 실제값과 예측값의 차이의 일예를 나타낸다.
도 19는 TP 및 VLF에 대해, 3분 동안 측정한 데이터의 지표의 실제값과 딥러닝에 의한 예측값의 상관관계, 그리고 실제값과 1분 측정데이터 사이의 상관관계의 일예를 나타낸다.
도 20은 LF 및 HF에 대해, 3분 동안 측정한 데이터의 지표의 실제값과 딥러닝에 의한 예측값의 상관관계, 그리고 실제값과 1분 측정데이터 사이의 상관관계의 일예를 나타낸다.
도 21은 LFn 및 HFn에 대해, 3분 동안 측정한 데이터의 지표의 실제값과 딥러닝에 의한 예측값의 상관관계, 그리고 실제값과 1분 측정데이터 사이의 상관관계의 일예를 나타낸다.
도 22는 LF/HF 및 mHR에 대해, 3분 동안 측정한 데이터의 지표의 실제값과 딥러닝에 의한 예측값의 상관관계, 그리고 실제값과 1분 측정데이터 사이의 상관관계의 일예를 나타낸다.
도 23은 RMSSD 및 SDNN에 대해, 3분 동안 측정한 데이터의 지표의 실제값과 딥러닝에 의한 예측값의 상관관계, 그리고 실제값과 1분 측정데이터 사이의 상관관계의 일예를 나타낸다.
도 24는 TP, LF, HF, VLF에 대해서, 블란드 앨트먼 플롯(Bland-Altman plot)으로 실제값과 예측값의 일치도를 나타낸다.
도 25은 LFn, HFn, LF/HF, mHR에 대해서, 블란드 앨트먼 플롯(Bland-Altman plot)으로 실제값과 예측값의 일치도를 나타낸다.
도 26은 RMSSD, SDNN에 대해서, 블란드 앨트먼 플롯(Bland-Altman plot)으로 실제값과 예측값의 일치도를 나타낸다.
1 is an explanatory diagram schematically illustrating the configuration of a system for predicting indicators of 5-minute or 3-minute heart rate variability data using heart rate variability data of a short measurement period according to the present invention.
Figure 2 is an explanatory diagram for explaining the input data form and learning label of the HRV indicator prediction model of the present invention.
3 is a schematic flowchart illustrating the process of generating learning data in the artificial neural network of the present invention.
4 is an explanatory diagram for explaining an example of a method for generating 1-minute data in the step of generating learning data of FIG. 3 (S200).
FIG. 5 is a flowchart illustrating the step (S200) of generating learning data of FIG. 3. Referring to FIG.
6 is an explanatory diagram explaining the configuration of data for artificial intelligence learning of the present invention.
7 is a flowchart schematically illustrating the artificial intelligence learning process of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart illustrating the learning-related data preprocessing step 510 of FIG. 7 .
9 is a flowchart schematically illustrating a prediction process of predicting indicators of heart rate variability data of 5 minutes or 3 minutes using heart rate variability data of a short measurement period (less than 3 minutes) in the artificial intelligence of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining generation of short measurement intervals (1 minute data), which is input data for prediction in FIG. 9 .
11 is a flowchart illustrating a preprocessing step of input data for prediction in FIG. 9 .
12 is an explanatory diagram of an example of the configuration of an artificial neural network of the LF/HF prediction model of the LF/HF prediction unit of the present invention.
13 is an explanatory diagram of an example of the artificial neural network configuration of the average heart rate (mHR) prediction model of the average heart rate (mHR) predictor of the present invention.
14 is an explanatory diagram of an example of the artificial neural network configuration of the RMSSD prediction model of the RMSSD prediction unit of the present invention.
15 is an explanatory diagram of an example of the artificial neural network configuration of the SDNN prediction model of the SDNN prediction unit of the present invention.
16 is an explanatory diagram of an example of the artificial neural network configuration of the predictive model of other variables of the present invention.
17 is an example of the transition of loss values for SDNN learning epochs.
18 shows an example of a difference between an actual value and a predicted value of a TP indicator.
19 shows an example of a correlation between an actual value of an index of data measured for 3 minutes and a predicted value by deep learning, and a correlation between an actual value and 1 minute measurement data for TP and VLF.
20 shows an example of a correlation between an actual value of an indicator of data measured for 3 minutes and a predicted value by deep learning, and a correlation between an actual value and 1 minute measurement data for LF and HF.
21 shows an example of a correlation between an actual value of an index of data measured for 3 minutes and a predicted value by deep learning, and a correlation between an actual value and 1 minute measurement data for LFn and HFn.
22 shows an example of a correlation between an actual value of an index of data measured for 3 minutes and a predicted value by deep learning, and a correlation between an actual value and 1 minute measurement data for LF/HF and mHR.
23 shows an example of the correlation between the actual value of the indicator of the data measured for 3 minutes and the predicted value by deep learning, and the correlation between the actual value and the 1-minute measurement data for RMSSD and SDNN.
24 shows the degree of agreement between actual values and predicted values in a Bland-Altman plot for TP, LF, HF, and VLF.
25 shows the degree of agreement between actual values and predicted values in a Bland-Altman plot for LFn, HFn, LF/HF, and mHR.
26 shows the degree of agreement between the actual value and the predicted value in a Bland-Altman plot for RMSSD and SDNN.

이하, 본 발명의 짧은 측정구간의 심박변이도 데이터로, 5분 또는 3분의 심박변이도 데이터의 지표를 예측하는 방법 및 그 시스템에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method and system for predicting indicators of heart rate variability data of 5 minutes or 3 minutes using heart rate variability data of a short measurement period according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 짧은 측정구간의 심박변이도 데이터로, 5분 또는 3분의 심박변이도 데이터의 지표를 예측하는 시스템의 구성을 대하여 개략적으로 설명하는 설명도이다.1 is an explanatory diagram schematically illustrating the configuration of a system for predicting indicators of 5-minute or 3-minute heart rate variability data using heart rate variability data of a short measurement period according to the present invention.

심박 측정장치(100)에서 짧은 측정구간(3분 미만)동안 심박변이도를 측정하여 연산처리부(200)로 전송한다. 심박 측정장치(100)는 심전도(ECG) 또는 광용적맥파(PPG))로부터 심박을 검출하는 장치로서, 시판되는 심박변이도 검사기기 또는 심박 측정장치를 이용할 수 있다. 여기서 연산처리부(200)는 컴퓨터, 마이크로프세서 등으로 이루어질 수 있다.The heart rate measuring device 100 measures heart rate variability for a short measurement period (less than 3 minutes) and transmits it to the calculation processing unit 200 . The heart rate measuring device 100 is a device for detecting a heart rate from electrocardiogram (ECG) or photoplethysmogram (PPG), and a commercially available heart rate variability tester or heart rate measuring device may be used. Here, the calculation processing unit 200 may be composed of a computer, a microprocessor, or the like.

짧은 측정구간은 3분 미만의 측정구간으로, 예로 1분의 측정구간일 수 있다.The short measurement period is a measurement period of less than 3 minutes, and may be, for example, a measurement period of 1 minute.

연산처리부(200)는, 심박 측정장치(100)로부터 수신된 심박변이도 데이터를 기 학습된 인공신경망에 입력하고, 상기 인공신경망에서 출력된 HRV 지표를, 5분(또는 3분)의 HRV 지표로서 메모리부(300)에 저장하거나, 출력부(500)를 통해 출력한다. 인공신경망은 딥러닝을 이용하는 HRV 지표 예측 모델을 사용한다. 여기서, 메모리부(300)는 데이터베이스 일 수 있다. The calculation processing unit 200 inputs the heart rate variability data received from the heart rate measuring device 100 to the pre-learned artificial neural network, and converts the HRV index output from the artificial neural network into a 5-minute (or 3-minute) HRV index. It is stored in the memory unit 300 or output through the output unit 500. The artificial neural network uses a HRV index prediction model using deep learning. Here, the memory unit 300 may be a database.

HRV 지표로서, HRV 시간영역 지표 및 HRV 주파수영역 지표가 있으며, HRV 시간영역 지표로는 평균 RR간격(mRR), 평균심박수(mean heart rate, mHR), SDNN(standard deviation of normal-to-normal interval), RMSSD(root mean square differences of successive R-R intervals) 등이 있으며, HRV 주파수영역 지표로는 5분간 전체 강도(5-minute total power, TP), VLF(very low frequency, 초 저주파수대역 강도), LF(power in low frequency, 저주파수대역 강도), HF(power in high frequency, 고주파수대역 강도), 저주파수대역의 정규화된 강도(normalized LF, nLF), 고 주파수대역의 정규화된 강도(normalized HF, nHF), LF/HF (LF/HF ratio, 저주파수대 고주파수의 대역 강도비) 등이 있다. 이에 대해서는 국내 등록특허 10-0493714호에 상세히 기재되어 있으므로, 이에 대한, 상세한 설명은 생략한다.As HRV indicators, there are HRV time domain indicators and HRV frequency domain indicators. HRV time domain indicators include mean RR interval (mRR), mean heart rate (mHR), SDNN (standard deviation of normal-to-normal interval) ), RMSSD (root mean square differences of successive R-R intervals), and HRV frequency domain indicators include 5-minute total power (TP), VLF (very low frequency, very low frequency), LF (power in low frequency, low frequency band intensity), HF (power in high frequency, high frequency band intensity), normalized intensity of low frequency band (normalized LF, nLF), normalized intensity of high frequency band (normalized HF, nHF), LF/HF (LF/HF ratio, band intensity ratio of low frequency to high frequency) and the like. Since this is described in detail in Korean Registered Patent No. 10-0493714, a detailed description thereof will be omitted.

3분 동안 측정한 데이터의 지표들(실제값)과 본 발명의 딥러닝에 의한 예측값 사이에 차이가 있는지를 알아보기 위한 실험에서, 연령대와 성별이 골고루 분포된 대상군을 통해 데이터를 수집하고, 가이드라인에서 제시하는 표준적인 분석방법을 이용하여 분석하였다. 이때 심박변이도검사기기(SA3000P, 메디코아; Medicore, Seoul, Korea)로 수집된 43,504 건의 3분 동안 측정된 HRV 데이터를 사용하였다. 이중에서 이상심박수가 존재하는 데이터, 평균심박수 60 미만 100인 데이터, 그리고 3분 측정 시간 동안 상태가 현저하게 변화된 데이터등 8,619 건을 제외하고 실제 학습에는 총 34,885건의 3분 동안 측정된 데이터가 사용되었다. 이 실험에서는, 심박변이도검사기기에서 추출된 1분 데이터를 이용하여 3 분 HRV 의 지표를 예측하였다. In an experiment to find out if there is a difference between the indicators (actual values) of the data measured for 3 minutes and the predicted value by the deep learning of the present invention, data was collected through a target group with evenly distributed age and gender, It was analyzed using the standard analysis method suggested by the guidelines. At this time, HRV data measured for 3 minutes of 43,504 cases collected by a heart rate variability tester (SA3000P, Medicore, Seoul, Korea) were used. A total of 34,885 data measured for 3 minutes were used for actual learning, except for 8,619 cases, such as data with abnormal heart rate, data with average heart rate less than 60, 100, and data in which the state changed significantly during the 3-minute measurement period. . In this experiment, the index of 3-minute HRV was predicted using the 1-minute data extracted from the heart rate variability tester.

표 1은 본 발명에서 사용한 HRV 지표를 나타낸다. Table 1 shows the HRV index used in the present invention.

Figure 112021066332412-pat00001
Figure 112021066332412-pat00001

여기에서 mRR 은 mHR 예측을 통해 계산할 수 있고, 또한 주파수영역의 LFn 과 HFn 도 예측된 LF, HF 값에서 바로 계산되기 때문에 학습에서는 제외하였다. Here, mRR can be calculated through mHR prediction, and LFn and HFn in the frequency domain are also calculated directly from the predicted LF and HF values, so they are excluded from learning.

이 실험에서는, 3 분 동안 측정한 ECG(or PPG) 원 신호에서 피이크 검출을 통해 HRV 시계열 데이터를 생성한 후 1분30 초 이후의 1분 데이터를 학습용 데이터로 사용하였다. In this experiment, HRV time series data was generated through peak detection in the ECG (or PPG) raw signal measured for 3 minutes, and then 1 minute data after 1 minute and 30 seconds was used as training data.

인공신경망의 HRV 지표 예측 모델의 입력 데이터의 가공을 위해, 연산처리부(200)는, 심박 측정장치(100)로부터 수신된 3분 미만의 짧은 측정구간의 심박 데이터를, 메모리부(300)에 구비된 입력 데이터 임시저장부의 중앙부분에 위치시키고, 입력 데이터 임시저장부(미도시)에서, 3분 미만의 짧은 측정구간의 심박 데이터를 기준으로, 앞뒤부분에, 즉, 3분 미만의 짧은 측정구간의 심박 데이터를 제외한 부분에, 3분 미만의 짧은 측정구간의 심박 데이터의 평균값으로 채운다. 이때 HRV 지표 예측 모델의 입력 데이터의 크기(갯수)는, 5분(또는 3분)의 데이터 크기(갯수)로, 공장출하시 또는 사용자에 의해 사용초기에 정해져 있다. 이렇게 채워진 입력 데이터 임시저장부의 데이터를, HRV 지표 예측 모델의 입력 데이터로서, 인공신경망의 HRV 지표 예측 모델에 입력한다.In order to process the input data of the HRV index prediction model of the artificial neural network, the calculation processing unit 200 stores the heart rate data of a short measurement period of less than 3 minutes received from the heart rate measuring device 100 in the memory unit 300 In the input data temporary storage unit (not shown), based on the heart rate data of the short measurement period of less than 3 minutes, in the front and rear parts, that is, in the short measurement period of less than 3 minutes Fill in the part except for the heart rate data in with the average value of the heart rate data of the short measurement period of less than 3 minutes. At this time, the size (number) of the input data of the HRV indicator prediction model is determined at the time of shipment from the factory or at the beginning of use by the user at the size (number) of data of 5 minutes (or 3 minutes). The data of the input data temporary storage unit filled in this way is input to the HRV indicator prediction model of the artificial neural network as input data of the HRV indicator prediction model.

도 2는 본 발명의 HRV 지표 예측 모델의 입력데이터 형태 및 학습 레이블을 설명하기 위한 설명도이다.Figure 2 is an explanatory diagram for explaining the input data form and learning label of the HRV indicator prediction model of the present invention.

도 2는, 입력데이터로서 1분간의 심박(beat) 데이터를 사용할 경우로, 1분 데이터의 비트 개수는 심박수에 따라 다르기 때문에, 입력데이터의 크기는 300개로 설정하였고, 1분 실제 심박(real beat) 데이터는 중앙에 배치하고, 나머지 앞과 뒤 부분은 1분 데이터의 평균값으로 채워서, 300개의 입력데이터를 생성한다. 이는 연산처리부(200)에서 자동으로 처리될 수 있다.2 shows the case of using 1-minute heartbeat data as input data. Since the number of bits of 1-minute data varies depending on the heart rate, the size of the input data is set to 300, and 1-minute real heartbeat ) data is placed in the center, and the remaining front and back parts are filled with the average value of 1 minute data to create 300 input data. This can be automatically processed in the calculation processing unit 200.

주파수 영역 지표 데이터는 추출된 1 분 데이터를 FFT 변환한 256 개의 데이터를 이용하였고, 3 분 동안 측정한 데이터의 지표 값을 레이블로 지정하여 학습하였다. For the frequency domain index data, 256 pieces of data obtained by FFT-converting the extracted 1-minute data were used, and the index value of the data measured for 3 minutes was designated as a label for learning.

본 발명에서, 딥러닝을 이용한 5분 또는 3분 데이터 HRV 지표를 예측하는 데 있어서, 데이터는, 측정시간 단축이 목적이므로 연령과 성별을 고려하지 않아도 된다. In the present invention, in predicting the HRV index of 5-minute or 3-minute data using deep learning, since the purpose of data is to reduce the measurement time, age and gender do not need to be considered.

본 발명의 학습모델로는 일반적인 DNN(Deep Neural Network), CNN(Convolutional Neural Network), CNN1D, CNN2D, RNN 과 dropout 을 포함 또는 배제한 다양한 모델을 각각의 지표에 적용하여 평균절대오차(mean_absolute_error:MAE)가 가장 작은 모델을 해당 지표의 학습 모델로 선택할 수 있다. As the learning model of the present invention, various models including or excluding general DNN (Deep Neural Network), CNN (Convolutional Neural Network), CNN1D, CNN2D, RNN and dropout are applied to each index to obtain mean absolute error (mean_absolute_error: MAE) The model with the smallest can be selected as the learning model for the indicator.

도 3은 본 발명의 인공신경망에서 학습 데이터 생성과정을 설명하는 개략적인 흐름도이고, 도 4는 도 3의 학습용 데이터를 생성하는 단계(S200)에서 1분 데이터 생성방법의 일예를 설명하기 위한 설명도이고, 도 5는 도 3의 학습용 데이터를 생성하는 단계(S200)를 설명하는 흐름도이다.3 is a schematic flow chart explaining the learning data generation process in the artificial neural network of the present invention, and FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining an example of a 1-minute data generation method in the step of generating learning data (S200) of FIG. 5 is a flowchart illustrating the step (S200) of generating learning data of FIG. 3.

도 3에서와 같이, 연산처리부(200)는, 메모리부(300)에 저장되어 있는 데이터, 또는 심박 측정장치(100)로부터 측정된 데이터로서, 3분 HRV 원시 데이터(또는 5분 HRV 원시 데이터)를, 메모리부(300) 또는 심박 측정장치(100)로부터 수신하고(S100), 수신된 3분 HRV 원시 데이터(또는 5분 HRV 원시 데이터)로부터, 인공신경망의 인공지능 학습을 위한 학습용 데이터를 생성하고(S200), 동시에 인공신경망의 인공지능 학습을 위한 학습용 정답 데이터를 생성한다(S300). 이렇게 생성된, 학습용 데이터 및 학습용 정답 데이터를 인공지능 학습을 위한 데이터로서 메모리부(300)에 저장한다(S350).As shown in FIG. 3, the calculation processing unit 200, as data stored in the memory unit 300 or data measured from the heart rate measuring device 100, 3-minute HRV raw data (or 5-minute HRV raw data) is received from the memory unit 300 or the heart rate measuring device 100 (S100), and from the received 3-minute HRV raw data (or 5-minute HRV raw data), training data for artificial intelligence learning of the artificial neural network is generated (S200), and at the same time, correct answer data for learning for artificial intelligence learning of the artificial neural network is generated (S300). The thus generated data for learning and answer data for learning are stored in the memory unit 300 as data for artificial intelligence learning (S350).

학습용 데이터로서, 학습용 제1 데이터와 학습용 제2 데이터를 구비한다. As the data for learning, first data for learning and second data for learning are provided.

학습용 제1 데이터를 위해, 심박측정장치로 측정되거나 메모리부로부터 읽어들인, 3분 심박 데이터인 또는 5분 심박 데이터를, 연산처리부가 HRV 원시 데이터로서 수신하고, 수신된 HRV 원시 데이터로부터, 3분 미만의 기 설정된 시간단위로, 3분 미만 심박 데이터를, 3분 미만 학습용 심박 데이터로서, 추출한다. 추출된 3분 미만 학습용 심박 데이터를, 기설정된 데이터 크기로, 변환하되, 상기 데이터 크기 내에서, 3분 미만 학습용 심박 데이터는 중앙에 배치하고, 배치된 3분 미만 학습용 심박 데이터의 앞뒤를, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터의 평균값으로 채운 데이터를, 학습용 제1 데이터로 한다.For the first data for learning, the calculation processing unit receives 3-minute heart rate data or 5-minute heart rate data measured by the heart rate measuring device or read from the memory unit as HRV raw data, and from the received HRV raw data, Heart rate data for less than 3 minutes is extracted as heart rate data for learning for less than 3 minutes in a predetermined time unit of less than 3 minutes. The extracted heart rate data for training of less than 3 minutes is converted into a preset data size, within the data size, the heart rate data for training of less than 3 minutes is placed in the center, and the front and back of the arranged heart rate data for training of less than 3 minutes is 3 Data filled with the average value of the actual heart rate data in the measurement interval of less than a minute is used as first data for learning.

학습용 제2 데이터는, 연산처리부가 3분 미만 학습용 심박 데이터를 이용하여 선형회귀식을 구하고, 상기 선형회귀식을 이용하여, 3분 심박 데이터 또는 5분 심박 데이터를, 예측 심박 데이터로서, 검출하고, 상기 예측 심박 데이터를 FFT(고속푸리에변환)를 행하진 데이터를, 학습용 제2 데이터로 한다.For the second data for learning, the calculation processing unit obtains a linear regression equation using heartbeat data for training of less than 3 minutes, and detects 3-minute heartbeat data or 5-minute heartbeat data as predicted heartbeat data using the linear regression equation, , data obtained by FFT (fast Fourier transform) on the predicted heart rate data is used as second data for learning.

학습용 정답 데이터는, 연산처리부가 상기 HRV 원시 데이터로부터 HRV 지표를 검출하여 학습용 정답 데이터로 한다.For learning answer data, the arithmetic processing unit detects an HRV index from the HRV raw data and sets it as answer data for learning.

학습용 제1 데이터, 학습용 제2 데이터 및 학습용 정답 데이터를 인공신경망에 입력하기 위해서, 이들 데이터를 플롯 타잎(float type)의 (0, 1) 값으로 정규화하여 인공신경망에 입력한다.In order to input the first data for learning, the second data for learning, and the correct answer data for learning to the artificial neural network, these data are normalized to the (0, 1) values of the float type and input to the artificial neural network.

이하 학습용 데이터 생성과정을 상세히 설명한다.Hereinafter, a process of generating data for learning will be described in detail.

3분 HRV 원시 데이터(또는 5분 HRV 원시 데이터)는 심전도에서 심박, 즉, 피크를 검출(post peak detection)을 행한 데이터이다.The 3-minute HRV raw data (or the 5-minute HRV raw data) is data obtained by detecting a heartbeat, ie, a peak, in an electrocardiogram.

학습용 정답 데이터는 연산처리부(200)가 3분 HRV 원시 데이터(또는 5분 HRV 원시 데이터)로부터 HRV 지표를 검출한 데이터이다.The answer data for learning is data obtained by the calculation processing unit 200 detecting an HRV indicator from 3-minute HRV raw data (or 5-minute HRV raw data).

도 5에서와 같이, 학습용 데이터를 생성하는 단계(S200)는 다음과 같이 이루어진다.As shown in FIG. 5, the step of generating learning data (S200) is performed as follows.

학습용 데이터를 위한 1분 데이터 추출단계로, 연산처리부(200)는, 수신된 3분 HRV 원시 데이터(post peak detection data)(또는 5분 HRV 원시 데이터)로부터, 1분 데이터를 추출한다(S210). 예를들어, 도 4에서와 같이, 연산처리부(200)는 3분 HRV 원시 데이터(예로 9만개)를 30초 데이터(예로, 1만 오천개) 단위로 자른 후, 이들을 조합하는 방식으로, 1분 데이터를 추출할 수 있다.As a 1-minute data extraction step for training data, the calculation processing unit 200 extracts 1-minute data from the received 3-minute HRV raw data (post peak detection data) (or 5-minute HRV raw data) (S210) . For example, as shown in FIG. 4, the calculation processing unit 200 cuts 3-minute HRV raw data (eg, 90,000) into 30-second data (eg, 15,000), and then combines them to obtain 1 minute data can be extracted.

잡음제거 단계로, 연산처리부(200)는, 학습용 데이터를 위한 1분 데이터 추출단계에서 추출된 1분 데이터에서 잡음(artifact)을 제거하고(S220), 잡음이 제거된 1분 데이터를 1분 실제 심박 데이터로서 메모리부(300)에 저장한다(S230). As a noise removal step, the calculation processing unit 200 removes artifacts from the 1-minute data extracted in the 1-minute data extraction step for training data (S220), and converts the noise-removed 1-minute data into 1-minute actual data. Heartbeat data is stored in the memory unit 300 (S230).

보간단계로, 연산처리부(200)는, 잡음제거 단계에서 잡음이 제거된 부분의 데이터를 보간(interpolation)한다(S230). 여기서, 데이터 보간은, 3분 HRV 원시 데이터(또는 5분 HRV 원시 데이터)의 평균값으로 하거나, 아니면 제거된 부분의 직전 값, 아니면 제거된 부분의 직후 값으로 보간할 수 있다.As an interpolation step, the operation processing unit 200 interpolates the data of the part from which the noise is removed in the noise removal step (S230). Here, data interpolation may be an average value of 3-minute HRV raw data (or 5-minute HRV raw data), or may be interpolated with a value immediately before the removed part or a value immediately after the removed part.

리샘플링단계로, 연산처리부(200)는, 보간단계에서 보간된 1분 데이터를, 기 설정된 샘플링 레이트로, 다시 생플링한다(S240). In the resampling step, the calculation processing unit 200 samples the 1-minute data interpolated in the interpolation step again at a preset sampling rate (S240).

선형회귀식 추출단계로, 연산처리부(200)는, 리샘플링단계에서 리샘플링된 1분 데이터에서 선형 회귀(linear regression)식을 구한다(S250).As a linear regression equation extraction step, the calculation processing unit 200 obtains a linear regression equation from the 1-minute data resampled in the resampling step (S250).

3분 데이터 생성단계로, 연산처리부(200)는, 선형회귀식 추출단계에서 구하여진 선형회귀식을 이용하여, 선형회귀식과 연관된(concatenate) 3분 데이터(또는 5분 데이터), 즉, 예측된 3분 데이터(또는 예측된 5분 데이터)를 생성한다(S260).In the 3-minute data generation step, the calculation processing unit 200 uses the linear regression equation obtained in the linear regression equation extraction step to concatenate the 3-minute data (or 5-minute data), that is, the predicted 3-minute data (or predicted 5-minute data) is generated (S260).

FFT 단계로, 연산처리부(200)는, 예측된 3분 데이터 생성단계에서 예측된 3분 데이터(또는 5분 데이터)를 FFT(고속푸리에변환)을 행하고(S270), FFT된 3분 데이터(또는 5분 데이터)를 학습용 데이터로서 메모리부(300)에 저장한다(S280).In the FFT step, the calculation processing unit 200 performs FFT (Fast Fourier Transform) on the predicted 3-minute data (or 5-minute data) in the predicted 3-minute data generating step (S270), and the FFT 3-minute data (or 5-minute data) is stored in the memory unit 300 as learning data (S280).

도 6은 본 발명의 인공지능 학습을 위한 데이터의 구성을 설명하는 설명도이다.6 is an explanatory diagram explaining the configuration of data for artificial intelligence learning of the present invention.

인공지능 학습을 위한 데이터는 1분 실제 데이터(학습용 제1 데이터, 3분 FFT 데이터(학습용 제2 데이터), 학습용 정답 데이터로 이루어진다. Data for artificial intelligence learning consists of 1-minute actual data (first data for learning, 3-minute FFT data (second data for learning), and correct answer data for learning).

도 7은 본 발명의 인공지능 학습과정을 개략적으로 설명하는 흐름도이고, 도 8은 도 7의 학습관련 데이터 전처리 단계(510)을 설명하는 흐름도이다.7 is a flowchart schematically illustrating the artificial intelligence learning process of the present invention, and FIG. 8 is a flowchart illustrating the learning-related data preprocessing step 510 of FIG. 7 .

도 7에서와 같이, 인공지능 학습과정에서는, 인공지능 학습 데이터의 입력단계(S505), 전처리 단계(S510), 인공지능 학습단계(S550), 학습결과 모델 저장단계(S600)를 포함한다.As shown in FIG. 7, the artificial intelligence learning process includes an artificial intelligence learning data input step (S505), a preprocessing step (S510), an artificial intelligence learning step (S550), and a learning result model storage step (S600).

인공지능 학습 데이터의 입력단계(S505)에서 연산처리부(200)는 인공지능 학습을 위한 데이터를 인공신경망에 입력한다.In the step of inputting artificial intelligence learning data (S505), the calculation processing unit 200 inputs data for artificial intelligence learning to the artificial neural network.

도 8에서와 같이, 전처리 단계(S510)는 다음과 같다.As in FIG. 8, the preprocessing step (S510) is as follows.

크기조정 및 정규화된 1분 실제 데이터 생성단계로, 연산처리부(200)는, 인공지능 학습 데이터의 입력단계(S505)에서 입력된, 3분 미만의 짧은 데이터 구간의 실제 심박 데이터(예로 1분 실제 데이터)를, 기설정된 데이터 크기(예로 300개)로, 변환하되, 실제 심박 데이터(예로 1분 실제 데이터)는 중앙에 배치하고, 배치된 실제 심박 데이터의 앞뒤를, 1분 실제 데이터의 평균값으로 채우고(S520), 이렇게 일정한 크기가 되도록 변경된 1분 데이터를 플롯 타잎(float type)의 (0, 1) 값으로 정규화한다(S525).In the sizing and normalized 1-minute real data generation step, the calculation processing unit 200 inputs the actual heart rate data of a short data section of less than 3 minutes (for example, 1-minute real heart rate data input in the artificial intelligence learning data input step S505). data) to a preset data size (eg 300), but the actual heart rate data (eg 1 minute actual data) is placed in the center, and the front and rear of the actual heart rate data placed is converted to the average value of 1 minute actual data. It is filled (S520), and the 1-minute data changed to have a constant size is normalized to the (0, 1) value of the float type (S525).

정규화된 학습용 데이터 생성단계로, 크기조정 및 정규화된 1분 실제 데이터 생성단계와 동시에 진행되되, 연산처리부(200)는 학습용 데이터(즉, 3분 FFT 데이터)를 float type의 (0, 1) 값으로 정규화한다(S530).As a normalized learning data generation step, it proceeds simultaneously with the size adjustment and normalized 1-minute actual data generation step, but the operation processing unit 200 converts the training data (ie, 3-minute FFT data) into a float type (0, 1) value Normalize to (S530).

정규화된 학습용 정답 데이터 생성단계로, 크기조정 및 정규화된 1분 실제 데이터 생성단계 및 정규화된 학습용 데이터 생성단계와 동시에 진행되되, 연산처리부(200)는 학습용 정답 데이터를 float type의 (0, 1) 값으로 정규화한다(S540).As a normalized learning correct answer data generation step, it proceeds simultaneously with the resizing and normalized 1-minute actual data generating step and the normalized learning data generating step, but the operation processing unit 200 converts the correct answer data for learning into float type (0, 1) Normalize with the value (S540).

크기조정 및 정규화된 1분 실제 데이터, 정규화된 학습용 데이터, 정규화된 학습용 정답 데이터를 인공신경망에 입력하여 인공지능 학습을 실행하여, 학습결과모델인, HRV 지표 예측 모델을 만들고, 이렇게 생성된 HRV 지표 예측 모델을 메모리부(300)에 저장한다.By inputting the scaled and normalized 1-minute actual data, normalized training data, and normalized training answer data into the artificial neural network, artificial intelligence learning is executed to create a learning result model, an HRV index prediction model, and the HRV index generated in this way The prediction model is stored in the memory unit 300 .

본 발명의 HRV 지표 예측과정에서, HRV 지표 예측 모델에의 입력데이터를 위해, 연산처리부가, 3분 미만 측정구간 심박데이터를 이용하여, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터 및 HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터를 생성한다.In the HRV index prediction process of the present invention, for the input data to the HRV index prediction model, the calculation processing unit uses the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes to obtain HRV index prediction model first input data and HRV index prediction model second Generate input data.

HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터는, 기 설정된 데이터 크기를 가지며, 연산처리부가, 상기 데이터 크기 내에서, 심박 측정장치로부터 수신된 3분 미만 측정구간 심박 데이터를 중앙에 배치시키고, 중앙에 배치된 3분 미만 측정구간 심박 데이터의 앞과 뒤를, 3분 미만 측정구간 심박 데이터의 평균치로 채운 데이터이다.The first input data of the HRV index prediction model has a preset data size, and the calculation processing unit arranges the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes received from the heart rate measuring device in the center within the data size, and It is data filled with the average value of the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes before and after the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes.

HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터는, 연산처리부가, 심박 측정장치로부터 수신된 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 선형회귀식을 구하고, 상기 선형회귀식을 이용하여, 3분 심박 데이터 또는 5분 심박 데이터를, 예측 3분 심박 데이터 또는 예측 5분 심박 데이터로서, 검출하고, 예측 3분 심박 데이터 또는 예측 5분 심박 데이터를 FFT(고속푸리에변환)를 행하여 구하여진 데이터이다. For the second input data of the HRV indicator prediction model, the calculation processing unit obtains a linear regression equation from the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes received from the heart rate measuring device, and uses the linear regression equation to obtain 3-minute heart rate data or 5-minute heart rate data. Data obtained by detecting data as predicted 3-minute heart rate data or predicted 5-minute heart rate data, and performing FFT (fast Fourier transform) on the predicted 3-minute heart rate data or predicted 5-minute heart rate data.

HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터 및 HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터는 float type의 (0, 1) 값으로 정규화되어 인공신경망에 적용된다.The first input data of the HRV indicator prediction model and the second input data of the HRV indicator prediction model are normalized to float type (0, 1) values and applied to the artificial neural network.

이하 본 발명의 HRV 지표 예측과정에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the HRV indicator prediction process of the present invention will be described in detail.

도 9는 본 발명의 인공지능에서 짧은 측정구간(3분 미만)의 심박변이도 데이터로, 5분 또는 3분의 심박변이도 데이터의 지표를 예측하는 예측과정을 개략적으로 설명하는 흐름도이고, 도 10은 도 9의 예측용 입력데이터인, 짧은 측정구간(1분 데이터) 생성을 설명하기 위한설명도이고, 도 11은 도 9의 예측용 입력데이터 전처리 단계를 설명하는 흐름도이다.9 is a flowchart schematically illustrating a prediction process of predicting indicators of 5-minute or 3-minute heart rate variability data with heart rate variability data of a short measurement period (less than 3 minutes) in the artificial intelligence of the present invention, and FIG. 10 is 9 is an explanatory diagram for explaining generation of short measurement intervals (1 minute data), which is input data for prediction in FIG. 9, and FIG.

도 9에서와 같이, HRV 지표 예측 모델을 이용한 예측과정에서는, 예측모델 입력데이터 생성단계(S705), 예측모델 입력데이터의 전처리 단계(S765), HRV 지표 예측 모델 구동단계(S780), 예측결과출력단계(S800)를 포함한다.As shown in FIG. 9, in the prediction process using the HRV index prediction model, the predictive model input data generation step (S705), the preprocessing step of the predictive model input data (S765), the HRV index prediction model driving step (S780), and the prediction result output Step S800 is included.

예측모델 입력데이터 생성단계(S705)에서, 연산처리부(200)는, 심박 측정장치(100)로부터 3분 미만의 짧은 측정구간동안의 심박 데이터로부터, 예측된 3분 FFT 데이터를 생성한다. In the predictive model input data generating step (S705), the calculation processing unit 200 generates predicted 3-minute FFT data from the heart rate data for a short measurement period of less than 3 minutes from the heart rate measuring device 100.

도 10에서와 같이, 예측모델 입력데이터 생성단계(S705)는 다음과 같은 과정을 통해 얻어진다.As shown in FIG. 10, the predictive model input data generating step (S705) is obtained through the following process.

3분 미만 측정구간 심박 데이터 수신단계로서, 3분 미만의 짧은 측정구간동안, 심박 측정장치(100)는 심박을 측정하고(S710), 연산처리부(200)는 심박 측정장치(100)로부터 측정된 심박(post peak detection data)을, 3분 미만 측정구간 심박 데이터(예로 1분 데이터)로서, 수신하여, 메모리부(300)에 임시저장한다(S720). As a step of receiving heart rate data for a measurement period of less than 3 minutes, during a short measurement period of less than 3 minutes, the heart rate measuring device 100 measures the heart rate (S710), and the calculation processing unit 200 measures the heart rate measured from the heart rate measuring device 100. Heartbeat (post peak detection data) is received as heartbeat data (for example, 1 minute data) of a measurement period of less than 3 minutes, and is temporarily stored in the memory unit 300 (S720).

잡음제거 단계로, 연산처리부(200)는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터 수신단계에서 수신된 3분 미만 측정구간 심박 데이터(예로 1분 데이터)에서 잡음(artifact)을 제거하고(S725), 잡음이 제거된 3분 미만 측정구간 심박 데이터(예로 1분 데이터)를, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터, 즉, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터(예로, 1분 실제 심박 데이터)로서 메모리부(300)에 저장한다(S730). 여기서 잡음이 제거된 3분 미만 측정구간 심박 데이터에서, 잡음이 제거된 부분에는 "0"이 입력되게 된다.As a noise removal step, the calculation processing unit 200 removes artifacts from the heart rate data (for example, 1 minute data) received in the heart rate data reception step of the measurement period of less than 3 minutes (S725), and noise The removed heart rate data (eg, 1 minute data) of the measurement period of less than 3 minutes is used as actual heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes, that is, first input data (eg, 1 minute actual heart rate data) of the HRV indicator prediction model. 300) (S730). Here, in the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes from which the noise is removed, “0” is input to the noise-removed part.

보간단계로, 연산처리부(200)는, 잡음제거 단계에서 잡음이 제거된 부분의 데이터를 보간(interpolation)한다(S735). 여기서, 데이터 보간은, 선형보간을 적용하거나, 아니면, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터의 평균값으로 하거나, 아니면 제거된 부분의 직전 값, 아니면 제거된 부분의 직후 값으로 보간할 수 있다.As an interpolation step, the calculation processing unit 200 interpolates the data of the part from which the noise is removed in the noise removal step (S735). Here, for data interpolation, linear interpolation may be applied, or an average value of actual heart rate data for a measurement period of less than 3 minutes may be used, or interpolation may be performed with a value immediately before the removed portion or immediately after the removed portion.

바람직하게는, 선형보간을 적용하며, 일반적으로, 선형보간의 경우, 두 좌표점 (a, f(a)), (b, f(b))사이에 위치한 임의의 지점 (x,y)를 추정하기 위해, 다음 수식을 적용한다.Preferably, linear interpolation is applied. In general, in the case of linear interpolation, an arbitrary point (x, y) located between two coordinate points (a, f (a)) and (b, f (b)) To estimate, apply the following formula:

Figure 112021066332412-pat00002
Figure 112021066332412-pat00002

리샘플링단계로, 연산처리부(200)는, 보간단계에서 보간된 3분 미만 측정구간 심박 데이터를, 기 설정된 샘플링 레이트로, 다시 생플링(리 샘플링)하여 메모리부(300)에 저장한다(S740). 여기서 기 설정된 샘플링 레이트는 2Hz일 수 있다. 이 경우, 심박 데이터를 500Hz로 샘플링하면, 보간된 3분 미만 측정구간 심박 데이터를 500Hz로 샘플링된 데이터이고, 이를 2Hz로 리샘플링한 것이며 된다. 즉, 1초당 500개의 데이터에서, 1초당 2개로 리샘플링하는 것이된다.In the resampling step, the calculation processing unit 200 resamples (resamples) the heart rate data of the measurement interval of less than 3 minutes interpolated in the interpolation step at a preset sampling rate and stores it in the memory unit 300 (S740). . Here, the preset sampling rate may be 2Hz. In this case, if the heart rate data is sampled at 500 Hz, the interpolated heart rate data for a measurement period of less than 3 minutes is sampled at 500 Hz and resampled at 2 Hz. That is, resampling from 500 data per second to 2 data per second.

선형회귀식 추출단계로, 연산처리부(200)는, 리샘플링단계에서 리샘플링된 3분 미만 측정구간 심박 데이터에서 선형 회귀(linear regression)식을 구한다(S745).As a linear regression equation extraction step, the calculation processing unit 200 obtains a linear regression equation from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes resampled in the resampling step (S745).

3분 데이터 생성단계로, 연산처리부(200)는, 선형회귀식 추출단계에서 구하여진 선형회귀식을 이용하여, 선형회귀식과 연관된(concatenate) 3분 데이터(또는 5분 데이터), 즉, 예측된 3분 데이터(또는 예측된 5분 데이터)를 생성한다(S750).In the 3-minute data generation step, the calculation processing unit 200 uses the linear regression equation obtained in the linear regression equation extraction step to concatenate the 3-minute data (or 5-minute data), that is, the predicted 3-minute data (or predicted 5-minute data) is generated (S750).

FFT 단계로, 연산처리부(200)는, 예측된 3분 데이터 생성단계에서 예측된 3분 데이터(또는 5분 데이터)를 FFT(고속푸리에변환)을 행하고(S755), FFT된 3분 데이터(또는 5분 데이터)를 예측된 3분 FFT 데이터, 즉, HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터로서 메모리부(300)에 저장한다(S760).In the FFT step, the calculation processing unit 200 performs an FFT (fast Fourier transform) on the predicted 3-minute data (or 5-minute data) in the predicted 3-minute data generating step (S755), and the FFT 3-minute data (or 5-minute data) is stored in the memory unit 300 as predicted 3-minute FFT data, that is, second input data of the HRV indicator prediction model (S760).

도 11에서와 같이, 전처리 단계(S710)는 다음과 같다.As in FIG. 11, the preprocessing step (S710) is as follows.

3분 미만 측정구간 심박 데이터의 크기조정 및 정규화단계로, 연산처리부(200)는, 예측모델 입력데이터 생성단계(S705)에서 생성된 (즉, 잡음제거 단계에서 검출된), 3분 미만의 측정구간의 실제 심박 데이터(예로 1분 실제 데이터)를, 기설정된 데이터 크기(예로 300개)로, 변환하되, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터(예로 1분 실제 데이터)는 중앙에 배치하고, 배치된 실제 심박 데이터의 앞뒤를, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터의 평균값으로 채우고(S770), 이렇게 일정한 크기가 되도록 변경된 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터(즉, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터)를 최소 최대 정규화(Min-Max Normalization) 기법을 적용하여 정규화하여, 결과적으로 플롯 타잎(float type)의 (0, 1) 값으로 정규화한다(S775).In the step of resizing and normalizing the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes, the operation processing unit 200 measures less than 3 minutes generated in the prediction model input data generation step (S705) (ie, detected in the noise removal step). The actual heart rate data of the section (eg 1 minute actual data) is converted to a preset data size (eg 300), but the actual heart rate data of the measurement section less than 3 minutes (eg 1 minute actual data) is placed in the center and placed The front and back of the actual heart rate data obtained are filled with the average value of the actual heart rate data of the less than 3-minute measurement period (S770), and the actual heart rate data of the less than 3-minute measurement period changed to have a constant size (ie, HRV index prediction model first input data) is normalized by applying the Min-Max Normalization technique, and as a result, it is normalized to (0, 1) values of the float type (S775).

최소 최대 정규화(Min-Max Normalization) 기법은, 널리 공지된 것으로, 다음 수식에 의해 구해진다.The Min-Max Normalization technique, which is well known, is obtained by the following formula.

정규화 한 값 = (정규화 할 값 - 범위의 최소값 ) / (범위의 최대 값 - 범위의 MIN 값)Normalized value = (Value to be normalized - Minimum value in range) / (Maximum value in range - MIN value in range)

원래값으로 복원 값 = (정규화된 값 × (범위의 최대 값 - 범위의 최소 값))Restore to original value = (normalized value × (maximum value in range - minimum value in range))

+ 범위의 최소 값 Minimum value in range + 

즉, 일정한 크기가 되도록 변경된 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터 범위의 최소값, 일정한 크기가 되도록 변경된 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터 범위의 최대값를 이용하여, 일정한 크기가 되도록 변경된 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터를 상기 수식에 의해 정규화한다.In other words, using the minimum value of the actual heart rate data range of the measurement period of less than 3 minutes, which is changed to a constant size, and the maximum value of the actual heart rate data range of the measurement period of less than 3 minutes, which is changed to a constant size, the actual measurement period of less than 3 minutes, which is changed to a constant size Heart rate data is normalized by the above formula.

정규화된 예측용 데이터 생성단계로, 3분 미만 측정구간 심박 데이터의 크기조정 및 정규화단계와 동시에 진행되되, 연산처리부(200)는, 상기 FFT 단계에서 예측된 3분 FFT 데이터(즉, HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터)를 최소 최대 정규화(Min-Max Normalization) 기법을 적용하여 정규화하여, 결과적으로 float type의 (0, 1) 값으로 정규화한다(S777).As a step of generating normalized data for prediction, it is performed simultaneously with the step of resizing and normalizing the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes, but the operation processing unit 200, Model second input data) is normalized by applying a Min-Max Normalization technique, and as a result, it is normalized to a float type (0, 1) value (S777).

HRV 지표 예측 모델 실행단계로, 크기조정 및 정규화된 3분 미만 측정구간 실제 데이터(HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터), 정규화된, 예측된 3분 FFT 데이터(HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터)를 인공신경망의 HRV 지표 예측 모델에 입력하여 HRV 지표 예측 모델을 실행한다(S780).HRV indicator prediction model execution step, scaled and normalized measurement interval actual data (HRV indicator prediction model first input data), normalized and predicted 3-minute FFT data (HRV indicator prediction model second input data) is input to the HRV index prediction model of the artificial neural network to execute the HRV index prediction model (S780).

HRV 지표 예측 모델은 연산처리부(200)의 LF/HF 예측부(미도시), 평균심박수(mHR) 예측부(미도시), RMSSD 예측부(미도시), SDNN 예측부(미도시), TP 예측부(미도시), LF 예측부(미도시), HF 예측부(미도시), VLF 예측부(미도시), 정규화된 LF(LFnorm) 예측부(미도시), 정규화된 HF(HFnorm) 예측부(미도시)를 포함하여, 예측된 3분 FFT 데이터(HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터)로부터, 5분 또는 3분의 심박변이도 지표인 LF/HF, 평균심박수(mHR), RMSSD, SDNN, TP, LF, HF, VLF, 정규화된 LF(LFnorm), 정규화된 HF(HFnorm)를 구한다. 이때, 사용자의 설정에 따라 LF/HF, 평균심박수(mHR), RMSSD, SDNN, TP, LF, HF, VLF, 정규화된 LF(LFnorm), 정규화된 HF(HFnorm) 중 하나 이상을 구한다.The HRV indicator prediction model is a LF/HF prediction unit (not shown), an average heart rate (mHR) prediction unit (not shown), an RMSSD prediction unit (not shown), an SDNN prediction unit (not shown), and a TP of the calculation processing unit 200. Prediction unit (not shown), LF prediction unit (not shown), HF prediction unit (not shown), VLF prediction unit (not shown), normalized LF (LFnorm) prediction unit (not shown), normalized HF (HFnorm) Including a predictor (not shown), from the predicted 3-minute FFT data (HRV index prediction model second input data), 5-minute or 3-minute heart rate variability index LF/HF, average heart rate (mHR), RMSSD, Find SDNN, TP, LF, HF, VLF, normalized LF (LFnorm), and normalized HF (HFnorm). At this time, one or more of LF/HF, average heart rate (mHR), RMSSD, SDNN, TP, LF, HF, VLF, normalized LF (LFnorm), and normalized HF (HFnorm) is obtained according to the user's settings.

인공신경망의 HRV 지표 예측 모델에서 출력된 HRV 지표를 출력부(500)로 출력하거나 메모리부(300)에 저장한다.The HRV index output from the HRV index prediction model of the artificial neural network is output to the output unit 500 or stored in the memory unit 300.

도 12는 본 발명의 LF/HF 예측부의 LF/HF 예측 모델의 인공 신경망(neural network) 구성의 일예에 대한 설명도이다. 12 is an explanatory diagram of an example of the configuration of an artificial neural network of the LF/HF prediction model of the LF/HF prediction unit of the present invention.

LF/HF를 위한 합성곱처리 단계로, 연산처리부(200)는, 연산처리부(200)의 LF/HF 예측부(LF/HF 예측 모델)로, 정규화된 예측용 데이터 생성단계(S777)에서 정규화된, 예측된 3분 FFT 데이터(HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터)를, 16x16x1 형태의 입력 데이터로써, 입력하면 (S1110), LF/HF 예측부는 상기 입력 데이터를 사이즈 32 커널로 합성곱처리 후 relu (Rectified Linear Unit, 정류된 선형유닛) 활성화 함수로 처리한다(S1120).As a convolution processing step for LF/HF, the calculation processing unit 200 normalizes the normalized predictive data generation step (S777) with the LF/HF prediction unit (LF/HF prediction model) of the calculation processing unit 200 If the predicted 3-minute FFT data (HRV indicator prediction model second input data) is input as input data in the form of 16x16x1 (S1110), the LF/HF prediction unit convolutions the input data with a size 32 kernel, then It is processed as a relu (Rectified Linear Unit) activation function (S1120).

LF/HF를 위한 256 커널로의 완전연결계층 처리단계로, LF/HF 예측부는, 합성곱처리 단계(S1120)의 출력데이터(즉, 32 커널로 합성곱처리 후 relu 활성화 함수로 처리된 입력데이터)를, 256 커널로 완전연결계층(Fully conndeted layer, dense layer)으로 처리 후, relu 활성화 함수 처리한다(S1130). As a fully connected layer processing step with 256 kernels for LF / HF, the LF / HF prediction unit outputs data of the convolution processing step (S1120) (ie, input data processed by the relu activation function after convolution processing with 32 kernels) ) is processed into a fully connected layer (dense layer) with a  256 kernel, and then the relu activation function is processed (S1130).

도 12의 256 커널로의 완전연결계층 처리단계(S1130)에서 레이어 함수로써, DepthwiseConv2D 를 사용하고 있지만 이로써 본 발명을 한정하기위한 것이 아님을 밝혀둔다, DepthwiseConv2D는 깊이별 콘볼루션(depthwise convolution) 처리를 위하여, 머신러닝을 위한 엔드 투 엔드 오픈소스 플랫폼인 Tensorflow 2.x 에서 제공되는 레이어 함수로, 일반적인 컨볼루션 필터는 입력의 모든 채널에 영향을 받게 되므로 완벽히 특정 채널만의 공간적 특징을 추출하는 것이 불가능하다. 즉, 다른 채널의 정보가 관여하는 것이 불가피 하기 때문이다. 하지만 Depthwise Convolution는 각 단일 채널에 대해서만 수행되는 필터들을 사용하였다. Although DepthwiseConv2D is used as a layer function in the fully connected layer processing step (S1130) with 256 kernels in FIG. 12, it should be noted that this is not intended to limit the present invention. For this purpose, it is a layer function provided by Tensorflow 2.x, an end-to-end open source platform for machine learning. Since general convolution filters are affected by all channels of the input, it is impossible to completely extract the spatial features of a specific channel. Do. That is, it is unavoidable that information of other channels is involved. However, depthwise convolution used filters performed only for each single channel.

LF/HF를 위한 1 커널로의 완전연결계층 처리단계로, LF/HF 예측부는, LF/HF를 위한 256 커널로의 완전연결계층 처리단계(S1130)의 출력데이터(즉, 256 커널로 Fully conndeted layer 처리 후, relu 활성화 함수 처리된 입력 데이터)를 1 커널로 완전연결계층(Fully conndeted layer) 처리하여 1개의 LF/HF 예측 값을 출력시킨다(S1140). As a fully connected layer processing step to 1 kernel for LF / HF, the LF / HF prediction unit outputs the output data of the fully connected layer processing step (S1130) to 256 kernels for LF / HF (i.e. Fully conndeted with 256 kernels After layer processing, fully connected layer processing is performed on the relu activation function-processed input data) with 1 kernel to output one LF/HF prediction value (S1140).

도 13은 본 발명의 평균심박수(mHR) 예측부의 평균심박수(mHR) 예측 모델의 인공 신경망 구성의 일예에 대한 설명도이다.13 is an explanatory diagram of an example of the artificial neural network configuration of the average heart rate (mHR) prediction model of the average heart rate (mHR) predictor of the present invention.

평균심박수를 위한 256 커널로의 완전연결계층 처리단계로, 연산처리부(200)는, 연산처리부(200)의 평균심박수(mHR) 예측부(평균심박수(mHR) 예측 모델)로, 잡음제거 단계(S725, S730)에서 출력된, 크기조정 및 정규화된 3분 미만 측정구간 실제 데이터(HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터)를, 300 사이즈의 입력 데이터로써, 입력하며 (S1150), 평균심박수(mHR) 예측부는 이 입력 데이터를, 256 커널로 완전연결계층(Fully conndeted layer, dense layer)으로 처리 후, relu 활성화 함수 처리한다(S1160). As a fully connected layer processing step to 256 kernels for the average heart rate, the calculation processing unit 200, the average heart rate (mHR) prediction unit (average heart rate (mHR) prediction model) of the calculation processing unit 200, the noise removal step ( S725, S730), the scaled and normalized measurement section actual data (HRV index prediction model first input data) output in 300 sizes is input (S1150), and the average heart rate (mHR) The prediction unit processes this input data into a fully connected layer (dense layer) with a  256 kernel, and then processes the relu activation function (S1160).

평균심박수를 위한 1 커널로의 완전연결계층 처리단계로, 평균심박수(mHR) 예측부는, 평균심박수를 위한 256 커널로의 완전연결계층 처리단계(S1150)의 출력데이터(즉, 256 커널로 Fully conndeted layer 처리 후, relu 활성화 함수 처리된 입력 데이터)를 1 커널로 완전연결계층(Fully conndeted layer) 처리하여 1개의 평균심박수 예측 값을 출력시킨다(S1170). As a fully connected layer processing step with 1 kernel for average heart rate, the average heart rate (mHR) prediction unit outputs the output data of the fully connected layer processing step (S1150) with 256 kernels for average heart rate (i.e., Fully conndeted with 256 kernels). After layer processing, fully connected layer processing is performed on the relu activation function-processed input data) with 1 kernel to output one average heart rate prediction value (S1170).

도 14는 본 발명의 RMSSD 예측부의 RMSSD 예측 모델의 인공 신경망 구성의 일예에 대한 설명도이다.14 is an explanatory diagram of an example of the artificial neural network configuration of the RMSSD prediction model of the RMSSD prediction unit of the present invention.

4차원 데이터 구성단계로, 연산처리부(200)는, 연산처리부(200)의 RMSSD 예측부(RMSSD 예측 모델)로, 잡음제거 단계(S725, S730)에서 출력된, 크기조정 및 정규화된 3분 미만 측정구간 실제 데이터(HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터)를, 300 사이즈의 입력 데이터로써, 입력하며(S1210), 합성곱 처리가 용이하게 하기 위해, reshape 함수 (배열의 차원을 변경하기 위한 함수)를 이용하여 상기 입력 데이터의 형태를 4차원으로 구성한다 (S1220). As a 4-dimensional data construction step, the calculation processing unit 200, the RMSSD prediction unit (RMSSD prediction model) of the calculation processing unit 200, output from the noise removal step (S725, S730), scaled and normalized less than 3 minutes The actual data of the measurement period (the first input data of the HRV indicator prediction model) is input as input data of size 300 (S1210), and a reshape function (function for changing the dimensions of the array) is used to facilitate convolution processing. The shape of the input data is configured in 4 dimensions by using (S1220).

RMSSD를 위한 합성곱처리 단계로, RMSSD 예측부는, 4차원 데이터 구성단계에서 출력된 데이터(즉, 4차원으로 구성된 입력 데이터)를 3 사이즈의 32 커널로 합성곱처리 후 relu 활성화 함수로 처리한다(S1230). As a convolutional multiplication step for RMSSD, the RMSSD prediction unit performs convolutional multiplication of the data output in the 4-dimensional data construction step (ie, 4-dimensional input data) with 32 kernels of size 3, and then processes it with a relu activation function ( S1230).

평균 풀링(Pooling) 단계로, RMSSD 예측부는, RMSSD를 위한 합성곱처리 단계(S1230)에서 출력 데이터 (즉, 3 사이즈의 32 커널로 합성곱처리 후 relu 활성화 함수로 처리된 데이터)를, reshape 함수를 이용하여 재 구성한 후(S1240), 평균 Pooling 처리를 행한다(S1250). 즉, Tensorflow에서 제공하는 GlobalAveragePooling1D 함수를 통하여 1차원에 대한 평균 Pooling 처리를 진행한다.As an average pooling step, the RMSSD prediction unit converts the output data (that is, data processed by the relu activation function after convolutional processing with 3 size 32 kernels) in the convolution processing step (S1230) for RMSSD to the reshape function. After reconstructing using (S1240), an average pooling process is performed (S1250). That is, through the GlobalAveragePooling1D function provided by Tensorflow, 1-dimensional average pooling processing is performed.

RMSSD를 위한 32 커널로의 완전연결계층 처리단계로, RMSSD 예측부는, 평균 풀링(Pooling) 단계(S1240, S1250)의 출력데이터(즉, 1차원에 대한 평균 Pooling 처리된 데이터)를 32 커널로 완전연결계층(Fully conndeted layer) 처리한다(S1260). As a fully connected layer processing step with 32 kernels for RMSSD, the RMSSD prediction unit converts the output data (i.e., average pooled data for one dimension) of the average pooling step (S1240, S1250) into 32 kernels. A fully connected layer is processed (S1260).

RMSSD를 위한 1 커널로의 완전연결계층 처리단계로, RMSSD 예측부는, RMSSD를 위한 32 커널로의 완전연결계층 처리단계(S1260)의 출력데이터(즉, 32 커널로 완전연결계층 처리한 데이터)를 1 커널로 완전연결계층(Fully conndeted layer) 처리하여 1개의 RMSSD 예측값을 출력한다(S1270). As a fully-connected layer processing step with 1 kernel for RMSSD, the RMSSD predictor outputs the output data of the fully-connected layer processing step (S1260) with 32 kernels for RMSSD (that is, fully-connected layer processed data with 32 kernels). A fully connected layer is processed with 1 kernel to output one RMSSD predicted value (S1270).

도 15는 본 발명의 SDNN 예측부의 SDNN 예측 모델의 인공 신경망 구성의 일예에 대한 설명도이다.15 is an explanatory diagram of an example of the artificial neural network configuration of the SDNN prediction model of the SDNN prediction unit of the present invention.

SDNN을 위한 합성곱처리 단계로, 연산처리부(200)는, 연산처리부(200)의 SDNN 예측부(SDNN 예측 모델)로, 잡음제거 단계(S725, S730)에서 출력된, 크기조정 및 정규화된 3분 미만 측정구간 실제 데이터(HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터)를, 15x20x1 형태의 입력 데이터로써, 입력하면 (S1310), SDNN 예측부는 상기 입력 데이터를  3x3 사이즈 32 커널로 합성곱처리 후 relu 활성화 함수로 처리한다(S1320).As a convolution processing step for SDNN, the calculation processing unit 200, to the SDNN prediction unit (SDNN prediction model) of the calculation processing unit 200, the scaled and normalized 3 output from the noise removal steps (S725, S730) When the actual data (HRV indicator prediction model first input data) of the measurement period of less than a minute is input as input data in the form of 15x20x1 (S1310), the SDNN prediction unit convolutions the input data with a 3x3 size 32 kernel and uses the relu activation function It is processed as (S1320).

SDNN을 위한 256 커널로의 완전연결계층 처리단계로, SDNN 예측부는, SDNN을 위한 합성곱처리 단계(S1320)의 출력데이터(즉, 32 커널로 합성곱처리 후 relu 활성화 함수로 처리된 입력데이터)를, 256 커널로 완전연결계층(Fully conndeted layer, dense layer)으로 처리 후, relu 활성화 함수 처리한다(S1330). As a fully connected layer processing step with 256 kernels for SDNN, the SDNN prediction unit outputs data of the convolution processing step (S1320) for SDNN (ie, input data processed by the relu activation function after convolution processing with 32 kernels) After processing  256 kernel as a fully connected layer (dense layer), the relu activation function is processed (S1330).

SDNN을 위한 1 커널로의 완전연결계층 처리단계로, SDNN 예측부는, SDNN을 위한 256 커널로의 완전연결계층 처리단계(S1330)의 출력데이터(즉, 256 커널로 Fully conndeted layer 처리 후, relu 활성화 함수 처리된 입력 데이터)를 1 커널로 완전연결계층(Fully conndeted layer) 처리하여 1개의 SDNN 예측 값을 출력시킨다(S1340). As a fully connected layer processing step with 1 kernel for SDNN, the SDNN prediction unit activates relu after output data of the fully connected layer processing step (S1330) with 256 kernels for SDNN (ie, fully connected layer processing with 256 kernels) Function-processed input data) is fully connected layer processed with 1 kernel to output one SDNN prediction value (S1340).

도 16은 본 발명의 기타 변수의 예측 모델의 인공 신경망 구성의 일예에 대한 설명도이다, 16 is an explanatory diagram of an example of the artificial neural network configuration of the predictive model of other variables of the present invention.

즉, 도 16은 본 발명의 기타 변수 예측부 (즉, TP 예측부, LF 예측부, HF 예측부, VLF 예측부, 정규화된 LF(LFnorm) 예측부, 정규화된 HF(HFnorm) 예측부)의, 기타 변수 예측 모델(즉, TP 예측 모델, LF 예측 모델, HF 예측 모델, VLF 예측 모델, 정규화된 LF(LFnorm) 예측 모델, 정규화된 HF(HFnorm) 예측 모델)에 적용된 인공 신경망 구성에 대한 설명도이다, That is, FIG. 16 shows other variable predictors (ie, TP predictor, LF predictor, HF predictor, VLF predictor, normalized LF (LFnorm) predictor, normalized HF (HFnorm) predictor) of the present invention. , a description of artificial neural network configurations applied to other variable prediction models (i.e., TP prediction model, LF prediction model, HF prediction model, VLF prediction model, normalized LF (LFnorm) prediction model, and normalized HF (HFnorm) prediction model). Doida,

기타 변수 예측모델을 위한 256 커널로의 완전연결계층 처리단계로, 연산처리부(200)는, 연산처리부(200)의 기타 변수 예측부의 기타 변수 예측모델로, 정규화된 예측용 데이터 생성단계(S777)에서 정규화된, 예측된 3분 FFT 데이터(HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터)를, 256 사이즈의 입력 데이터로써, 입력하며(S1510), 기타 예측부는 이 입력 데이터를, 256 커널로 완전연결계층(Fully conndeted layer, dense layer)으로 처리 후, relu 활성화 함수 처리한다(S1520). As a fully connected layer processing step to 256 kernels for the other variable prediction model, the operation processing unit 200 generates normalized prediction data with the other variable prediction model of the other variable prediction unit of the operation processing unit 200 (S777) Normalized and predicted 3-minute FFT data (HRV index prediction model second input data) is input as 256 size input data (S1510), and the other prediction unit converts this input data into a fully connected layer (with a 256 kernel) After processing with a fully conndeted layer, dense layer), a relu activation function is processed (S1520).

기타 변수 예측모델을 위한 1 커널로의 완전연결계층 처리단계로, 기타 예측부는, 기타 변수 예측모델을 위한 256 커널로의 완전연결계층 처리단계(S1520)의 출력데이터(즉, 256 커널로 Fully conndeted layer 처리 후, relu 활성화 함수 처리된 입력 데이터)를 1 커널로 완전연결계층(Fully conndeted layer) 처리하여 1개의 예측 값을 출력시킨다(S1530). As a fully connected layer processing step to 1 kernel for the other variable prediction model, the other prediction unit outputs the output data of the fully connected layer processing step (S1520) to 256 kernels for the other variable prediction model (i.e., Fully conndeted with 256 kernels). After layer processing, fully connected layer processing is performed on the relu activation function-processed input data) with 1 kernel to output one predicted value (S1530).

여기서, 기타 변수는 TP, LF, HF, VLF, 정규화된 LF(LFnorm), 정규화된 HF(HFnorm) 중 하나이고, 기타 예측부는 기타 변수를 예측하는 예측부로, TP 예측부, LF 예측부, HF 예측부, VLF 예측부, 정규화된 LF(LFnorm) 예측부, 정규화된 HF(HFnorm) 예측부 중의 하나이고, 기타 예측모델은, 기타 변수를 예측하는 모델로, TP 예측 모델, LF 예측 모델, HF 예측 모델, VLF 예측 모델, 정규화된 LF(LFnorm) 예측 모델, 정규화된 HF(HFnorm) 예측 모델 중의 하나이다.Here, the other variable is one of TP, LF, HF, VLF, normalized LF (LFnorm), and normalized HF (HFnorm), and the other predictor is a predictor for predicting other variables. The TP predictor, the LF predictor, and the HF It is one of a prediction unit, a VLF prediction unit, a normalized LF (LFnorm) prediction unit, and a normalized HF (HFnorm) prediction unit, and the other prediction model is a model for predicting other variables, TP prediction model, LF prediction model, HF It is one of a prediction model, a VLF prediction model, a normalized LF (LFnorm) prediction model, and a normalized HF (HFnorm) prediction model.

예를들어, 예측하고자 하는 기타변수가 TP이면, 기타 예측부는 TP 예측부이고, 기타 예측모델은 TP 예측모델이 되어, 다음과 같이 된다.For example, if the other variable to be predicted is TP, the other predictor is a TP predictor, and the other predictor model becomes a TP predictor model, resulting in the following.

기타 변수 예측모델(즉, TP 예측모델)을 위한 256 커널로의 완전연결계층 처리단계에서, 연산처리부(200)는, 연산처리부(200)의 TP 예측부로, HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터를, 256 사이즈의 입력 데이터로써, 입력하며, TP 예측부는 이 입력 데이터를, 256 커널로 완전연결계층(Fully conndeted layer, dense layer)으로 처리 후, relu 활성화 함수 처리한다(S1520). In the fully connected layer processing step to the 256 kernel for the other variable prediction model (ie, the TP prediction model), the calculation processing unit 200, to the TP prediction unit of the calculation processing unit 200, receives the HRV index prediction model second input data , 256-sized input data, and the TP prediction unit processes this input data into a fully connected layer (dense layer) with a 256 kernel and then processes the relu activation function (S1520).

기타 변수 예측모델(즉, TP 예측모델)을 위한 1 커널로의 완전연결계층 처리단계로, TP 예측부는, 기타 예측모델을 위한 256 커널로의 완전연결계층 처리단계(S1520)의 출력데이터(즉, 256 커널로 Fully conndeted layer 처리 후, relu 활성화 함수 처리된 입력 데이터)를 1 커널로 완전연결계층(Fully conndeted layer) 처리하여 1개의 TP 예측 값을 출력시킨다(S1530). As a fully connected layer processing step to 1 kernel for other variable prediction models (ie, TP prediction model), the TP prediction unit outputs the output data of the fully connected layer processing step (S1520) to 256 kernels for other predictive models (ie, , After fully conndeted layer processing with 256 kernels, input data processed with relu activation function) is fully conndeted layer processed with 1 kernel to output one TP prediction value (S1530).

물론, 변수가 LF, HF, VLF, 정규화된 LF(LFnorm), 정규화된 HF(HFnorm)일 경우에도 같은 방식으로 적용될 것이다.Of course, the same method will be applied when the variable is LF, HF, VLF, normalized LF (LFnorm), or normalized HF (HFnorm).

본 발명에서, 3분 동안 측정한 데이터의 지표들(실제값)과 본 발명의 딥러닝에 의한 예측값 사이에 차이가 있는지를 알아보기 위한 실험에서, 학습셋(training set)은 전체 데이터의 60%인 20,931 개, 검증셋(validation set)은 30%인 10,465 개 그리고 시험셋(test set)은 10%인 3,489 개의 데이터를 임의로 선택하였다. SDNN 의 경우 학습모델로 CNN2D, 손실함수(loss function)으로 휴버 손실(huber_loss), 최적화함수(optimizer)로 Adam(adaptive moment assesment, 아담)을, 학습률(learning Rate)은 1e-05, 배치사이즈는 5000, 에포크(epoch)는 14,150 번으로 하여 학습된다. 또한 이때 SDNN 학습 epoch에 대한 손실값의 추이는 도 17과 같다.In the present invention, in an experiment to find out if there is a difference between the indicators (actual values) of the data measured for 3 minutes and the predicted value by the deep learning of the present invention, the training set is 60% of the total data 20,931 data were randomly selected for the validation set, 10,465 data (30%), and 3,489 data (10%) for the test set. In the case of SDNN, CNN2D is used as the learning model, Huber_loss is used as the loss function, Adam (adaptive moment assessment, Adam) is used as the optimizer, the learning rate is 1e-05, and the batch size is 5000, epoch is learned with 14,150 times. In addition, the transition of the loss value for the SDNN learning epoch at this time is shown in FIG. 17.

표 2는 주파수영역 예측지표별 학습모델 및 하이퍼 파라미터의 일예를 나타낸다. 즉, 상기 실험에서의 주파수영역 예측지표별 학습모델 및 하이퍼 파라미터를 나타낸다.Table 2 shows an example of a learning model and hyperparameters for each frequency domain predictive index. That is, it shows the learning model and hyperparameters for each frequency domain predictive index in the experiment.

Figure 112021066332412-pat00003
Figure 112021066332412-pat00003

표 3은 시간영역 예측지표별 학습모델 및 하이퍼 파라미터의 일예을 나타낸다. 즉, 상기 실험에서의 시간영역 예측지표별 학습모델 및 하이퍼 파라미터를 나타낸다.Table 3 shows an example of a learning model and hyperparameters for each predictive index in the time domain. That is, it shows the learning model and hyperparameters for each time-domain predictive index in the experiment.

Figure 112021066332412-pat00004
Figure 112021066332412-pat00004

이 실험에서, 각 지표별로 최적화된 학습모델과 파라미터를 선정하기 위해 다양한 모델과 파라미터를 적용하여 평균절대오차(mean absolute error:MAE)가 가장 작은 모델을 선정하였다. In this experiment, a model with the smallest mean absolute error (MAE) was selected by applying various models and parameters to select a learning model and parameters optimized for each indicator.

표 4는 각 지표별 예측 결과의 일예이다. 즉, 상기 실험 결과에서의 각 지표의 최소 MAE 값을 나타낸다.Table 4 is an example of prediction results for each index. That is, it represents the minimum MAE value of each index in the above experimental results.

Figure 112021066332412-pat00005
Figure 112021066332412-pat00005

도 18은 TP 지표의 실제값(파란선)과 예측값(주황선)의 차이의 일예를 나타낸다. 상기 실험 결과에서의 TP 지표의 실제값(파란선)과 예측값(주황선)의 차이를 나타낸다.18 shows an example of the difference between the actual value (blue line) and the predicted value (orange line) of the TP indicator. The difference between the actual value (blue line) and predicted value (orange line) of the TP index in the above experimental results is shown.

상기 실험결과의 통계처리에 있어서, 3 분 동안 측정한 데이터 지표들을 실제값(기준치)로 하고 기계학습을 통해 1 분 동안 측정한 데이터에서 3 분 데이터의 지표들을 예측한 값과의 비교는 독립표본 t 검정 (independent-sample t-test)과 Pearson 상관계수를 이용하였다. 또한 실제값을 기준으로 Bland-Altman plots 을 이용하여 실제값과 예측값의 일치 정도를 검증하였는데, 이때 두 측정치 사이 오차의 허용한계는 평균±2×표준편차로 정의하였다. 모든 통계에서 유의수준은 5%이하를 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 하였다. 독립표본 t 검정에서는 유의수준 5% 이상을 실제값과 예측값에 유의한 차이가 없는 것으로서, 결국 같은 결과 값을 보인 것으로 보았다. 모든 통계는 SPSS19 와 엑셀 기술통계 패키지를 이용하였다.In the statistical processing of the experimental results, the data indicators measured for 3 minutes are set as actual values (reference values) and the comparison with the predicted values of the indicators of the 3-minute data from the data measured for 1 minute through machine learning is an independent sample. A t test (independent-sample t-test) and Pearson's correlation coefficient were used. In addition, the degree of agreement between the actual value and the predicted value was verified using Bland-Altman plots based on the actual value. In all statistics, the level of significance was 5% or less as a statistically significant difference. In the independent sample t test, a significance level of 5% or higher was regarded as no significant difference between the actual value and the predicted value, and eventually the same result value was seen. All statistics were performed using SPSS19 and Excel descriptive statistics packages.

첫번째로, 독립표본 t 검정 결과에 있어서, 3 분 동안 측정한 데이터의 지표들(실제값)과 딥러닝에 의한 예측값 사이에 차이가 있는지를 알아보기 위해 독립표본 t 검정 (independent-sample t-test) 실시한 결과는 표 5 와 같다. First, in the independent sample t test result, an independent sample t test (independent sample t-test ) The results are shown in Table 5.

표 5는 실제값과 예측값에 대한 독립표본 t 검정 결과의 일예를 나타낸다. 즉 상기 실험에서 실제값과 예측값에 대한 독립표본 t 검정 결과를 나타낸다.Table 5 shows an example of independent sample t-test results for actual and predicted values. That is, it shows the independent sample t-test results for the actual value and the predicted value in the above experiment.

Figure 112021066332412-pat00006
Figure 112021066332412-pat00006

1 분 동안 측정한 데이터의 지표들과 실제값을 비교한 결과, mHR 과 RMSSD 가 유의한 차이가 없었고, 모든 지표에서 실제 데이터와는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(P<0.05). 이 결과는 이전의 연구결과와도 일치함을 확인할 수 있었다.As a result of comparing the indicators of the data measured for 1 minute with the actual values, there was no significant difference between mHR and RMSSD, and there was a statistically significant difference from the actual data in all indicators (P<0.05). This result was confirmed to be consistent with the results of previous studies.

딥러닝에 의한 예측값은 실제값과 본 연구에서 사용된 모든 지표에서 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다 (P > 0.05). 따라서, 본 발명에서 1 분 동안 측정한 데이터를 이용하여 딥러닝으로 예측한 예측값이, 실제 3 분 동안 측정한 데이터 지표로 사용될 수 있음을 나타낸다. The predicted value by deep learning did not show a statistically significant difference between the actual value and all indicators used in this study (P > 0.05). Therefore, in the present invention, the predicted value predicted by deep learning using data measured for 1 minute can be used as an indicator of data measured for 3 minutes.

두번째로, 피어슨 상관관계 분석 결과에 있어서, 도 19 내지 도 23에서와 같이, TP, VLF, LF, HF, LFn, HFn, LF/HF, mHR, RMSSD 및 SDNN에 대해, 3 분 동안 측정한 데이터의 지표(실제값)과 딥러닝에 의한 예측값, 그리고 실제값과 1 분 측정데이터 사이의 상관관계를 나타냈다. 즉, 모든 지표에서 딥러닝에 의한 예측값이 실제값과 매우 유사함을 확인하였다 (모든 지표 P-value < .0000). 도 19 내지 도 23과 같이, 실제값과 예측값이 아닌 1 분동안 측정한 데이터의 지표값과의 상관계수보다는 예측값과의 상관계수가 월등히 높았다. TP 는 0.4727에서 0.9307, LF 는 0.4421 에서 0.9773, HF 0.8147 에서 0.9929 , VLF 는 0.2433 에서 0.6979, LFn 은 0.5177 에서 0.9553, HFn 은 0.5167 에서 0.9579, LF/HF 는 0.4345 에서 0.9099 로 딥러닝 예측을 통해 실제값과 상관관계가 높아졌다. Second, in the Pearson correlation analysis results, as shown in FIGS. 19 to 23, data measured for 3 minutes for TP, VLF, LF, HF, LFn, HFn, LF / HF, mHR, RMSSD and SDNN The correlation between the indicator (actual value) of , the predicted value by deep learning, and the actual value and 1-minute measurement data was shown. That is, it was confirmed that the predicted values by deep learning in all indicators were very similar to the actual values (all indicators P-value < .0000). As shown in FIGS. 19 to 23, the correlation coefficient with the predicted value was much higher than the correlation coefficient with the index value of the data measured for 1 minute, rather than the actual value and the predicted value. TP is 0.4727 to 0.9307, LF is 0.4421 to 0.9773, HF 0.8147, 0.9929 at 0.8147, 0.6979 to 0.2433, 0.5177 for LFN, 0.9553 to 0.5167, 0.9579 to 0.9579, and LF/HF from 0.4345 to 0.9099 and the correlation increased.

상기 실험결과는, 독립표본 t 검정 결과와 피어슨 상관분석 결과를 통해 딥러닝에 의한 예측값이 실제 3 분데이터와 통계적으로 유의한 차이가 없고 매우 상관관계가 높음을 알 수 있었다.In the above experimental results, it was found that the predicted value by deep learning had no statistically significant difference and a very high correlation with the actual 3-minute data through the independent sample t test result and the Pearson's correlation analysis result.

상기 실험에서 실제값과 딥러닝에 의한 예측값의 일치도를 살펴보면, 블란드 앨트먼 플롯(Bland-Altman plot)으로 실제값과 예측값의 일치도는 도 24 내지 도 26과 같다. 도 24 내지 도 26에서는 TP, VLF, LF, HF, LFn, HFn, LF/HF, mHR, RMSSD 및 SDNN에 대해, 실제값과 예측값에 대한 블란드 앨트먼 플롯의 허용오차와, 허용오차(limit of agreement : LOA) 이내의 데이터 비율을 함께 나타내며, LOA를 나타내는 상하한값은 편향(bias) ± (2×표준편차)로 표현하였으며, 상하한값의 옆에 있는 괄호안의 비율은 전체 데이터중 LOA 이내의 비율이다.Looking at the degree of agreement between the actual value and the predicted value by deep learning in the above experiment, the degree of agreement between the actual value and the predicted value by the Bland-Altman plot is shown in FIGS. 24 to 26. 24 to 26, for TP, VLF, LF, HF, LFn, HFn, LF / HF, mHR, RMSSD and SDNN, the tolerance and limit of the Bland Altman plot for the actual value and the predicted value of agreement: The ratio of data within LOA) is shown together. is the ratio

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, the present invention has been described by the limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art in the field to which the present invention belongs can make various modifications and transformation is possible Therefore, the spirit of the present invention should be grasped only by the claims described below, and all equivalent or equivalent modifications thereof will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention.

100: 심박 측정장치
200: 연산처리부
300: 메모리부
100: heart rate measuring device
200: calculation processing unit
300: memory unit

Claims (18)

3분 미만 측정구간 동안에, 피검자로부터 심박 데이터를, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로서, 검출하는, 심박 측정장치;
심박 측정장치로부터 수신된 3분 미만 측정구간 심박데이터를, 기 훈련된, 딥러닝을 이용하는 인공신경망의 HRV(심박변이도) 지표 예측 모델에 적용하고, HRV 지표 예측 모델로부터 출력된 HRV 지표를, 3분 또는 5분의 HRV 지표로서 출력하는, 연산처리부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템.
During a measurement period of less than 3 minutes, a heart rate measuring device that detects heart rate data from the subject as heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes;
The heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes received from the heart rate measuring device is applied to the HRV (heart rate variability) index prediction model of the previously trained artificial neural network using deep learning, and the HRV index output from the HRV index prediction model is 3 An arithmetic processing unit that outputs as an HRV index of minutes or 5 minutes;
A system for predicting a heart rate variability index of 5 minutes or 3 minutes from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes, characterized in that it comprises a.
제1항에 있어서,
연산처리부는, 3분 미만 측정구간 심박데이터를 이용하여, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터 및 HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터를 생성하되,
HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터는 기 설정된 데이터 크기를 가지며,
연산처리부가, 상기 데이터 크기 내에서, 심박 측정장치로부터 수신된 3분 미만 측정구간 심박 데이터를 중앙에 배치시키고, 중앙에 배치된 3분 미만 측정구간 심박 데이터의 앞과 뒤를, 3분 미만 측정구간 심박 데이터의 평균치로 채운 데이터를, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터로 하는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템.
According to claim 1,
The calculation processing unit generates first input data of the HRV index prediction model and second input data of the HRV index prediction model using the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes,
The HRV indicator prediction model first input data has a preset data size,
Within the data size, the calculation processing unit arranges the heart rate data of the less than 3-minute measurement interval received from the heart rate measuring device in the center, and the front and back of the heart rate data of the less than 3-minute measurement interval disposed in the center, the measurement interval of less than 3 minutes A system for predicting a heart rate variability index of 5 minutes or 3 minutes from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes, characterized in that the data filled with the average value of the heart rate data is used as the first input data of the HRV indicator prediction model.
제2항에 있어서,
연산처리부가, 심박 측정장치로부터 수신된 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 선형회귀식을 구하고, 상기 선형회귀식을 이용하여, 3분 심박 데이터 또는 5분 심박 데이터를, 예측 3분 심박 데이터 또는 예측 5분 심박 데이터로서, 검출하고, 예측 3분 심박 데이터 또는 예측 5분 심박 데이터를 FFT(고속푸리에변환)를 행하여 구하여진, 예측된 3분 심박 FFT 데이터 또는 예측 5분 심박 FFT 데이터를, HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터로 하는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템.
According to claim 2,
The calculation processing unit obtains a linear regression equation from the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes received from the heart rate measuring device, and using the linear regression equation, the 3-minute heart rate data or the 5-minute heart rate data is predicted, the 3-minute heart rate data or the prediction As the 5-minute heart rate data, predicted 3-minute heart rate FFT data or predicted 5-minute heart rate FFT data obtained by performing FFT (Fast Fourier Transform) on the predicted 3-minute heart rate data or the predicted 5-minute heart rate data, as an HRV index A system for predicting a heart rate variability index of 5 minutes or 3 minutes from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes, characterized in that the prediction model is used as the second input data.
제1항에 있어서,
HRV 지표는, 평균 RR간격(mRR), 평균심박수(mean heart rate, mHR), SDNN(standard deviation of normal-to-normal interval), RMSSD(root mean square differences of successive R-R intervals), 5분간 전체 강도(5-minute total power, TP), VLF(very low frequency, 초 저주파수대역 강도), LF(power in low frequency, 저주파수대역 강도), HF(power in high frequency, 고주파수대역 강도), 저주파수대역의 정규화된 강도(normalized LF, nLF), 고 주파수대역의 정규화된 강도(normalized HF, nHF), LF/HF (LF/HF ratio, 저주파수대 고주파수의 대역 강도비) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템.
According to claim 1,
HRV indicators are mean RR interval (mRR), mean heart rate (mHR), SDNN (standard deviation of normal-to-normal interval), RMSSD (root mean square differences of successive RR intervals), 5-minute total intensity (5-minute total power, TP), VLF (very low frequency), LF (power in low frequency, low frequency), HF (power in high frequency, high frequency), low frequency normalization Characterized in that it includes one or more of normalized intensity (normalized LF, nLF), normalized intensity of high frequency band (normalized HF, nHF), LF / HF (LF / HF ratio, band intensity ratio of low frequency band and high frequency band) , A system that predicts a 5-minute or 3-minute heart rate variability index from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes.
제2항에 있어서,
연산처리부는, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터를 플롯 타잎(float type)의 (0, 1) 값으로 정규화하여, HRV 지표 예측 모델에 입력하는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템.
According to claim 2,
The calculation processing unit normalizes the first input data of the HRV index prediction model to a (0, 1) value of a float type, and inputs the data to the HRV index prediction model. A system that predicts a 5-minute or 3-minute heart rate variability index.
제3항에 있어서,
연산처리부는, HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터를, 플롯 타잎(float type)의 (0, 1) 값으로 정규화하여, HRV 지표 예측 모델에 입력하는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템.
According to claim 3,
The calculation processing unit normalizes the second input data of the HRV index prediction model to a (0, 1) value of a float type, and inputs the data to the HRV index prediction model. A system that predicts a 5- or 3-minute heart rate variability index from
심박 측정장치로부터, 3분 미만 측정구간 동안에, 피검자로부터 심박 데이터를, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로서, 검출하는, 심박 측정단계;
연산처리부는, 심박 측정장치로부터 3분 미만 측정구간 심박데이터를 수신하고, 수신된 3분 미만 측정구간 심박데이터를, 기 훈련된, 딥러닝을 이용하는 HRV(심박변이도) 지표 예측 모델에 적용하고, HRV 지표 예측 모델로부터 출력된 HRV 지표를, 3분 또는 5분의 HRV 지표로서 출력하는, HRV 지표 예측단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템의 구동방법.
a heart rate measurement step of detecting heart rate data from the subject as heart rate data for a measurement period of less than 3 minutes from a heart rate measuring device during a measurement period of less than 3 minutes;
The calculation processing unit receives heart rate data for a measurement period of less than 3 minutes from the heart rate measuring device, and applies the received heart rate data for a measurement period of less than 3 minutes to a pre-trained heart rate variability (HRV) indicator prediction model using deep learning, HRV index prediction step of outputting the HRV index output from the HRV index prediction model as a 3-minute or 5-minute HRV index;
A method of driving a system for predicting a heart rate variability index of 5 minutes or 3 minutes from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes, characterized in that it comprises a.
제7항에 있어서, HRV 지표 예측단계는,
연산처리부가, 3분 미만 측정구간 심박데이터를 이용하여, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터 및 HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터를 생성하도록 이루어지되,
HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터는 기 설정된 데이터 크기를 가지며,
HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터는, 연산처리부가, 상기 데이터 크기 내에서, 심박 측정장치로부터 수신된 3분 미만 측정구간 심박 데이터를 중앙에 배치시키고, 중앙에 배치된 3분 미만 측정구간 심박 데이터의 앞과 뒤를, 3분 미만 측정구간 심박 데이터의 평균치로 채운 데이터인 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템의 구동방법.
The method of claim 7, wherein the HRV index prediction step,
The calculation processing unit is configured to generate first input data of the HRV index prediction model and second input data of the HRV index prediction model using the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes,
The HRV indicator prediction model first input data has a preset data size,
For the first input data of the HRV indicator prediction model, within the data size, the heart rate data received from the heart rate measuring device is centered, and the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes is centered. A method of driving a system for predicting a heart rate variability index of 5 minutes or 3 minutes from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes, characterized in that the data filled with the average value of the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes.
제7항에 있어서,
HRV 지표는, 평균 RR간격(mRR), 평균심박수(mean heart rate, mHR), SDNN(standard deviation of normal-to-normal interval), RMSSD(root mean square differences of successive R-R intervals), 5분간 전체 강도(5-minute total power, TP), VLF(very low frequency, 초 저주파수대역 강도), LF(power in low frequency, 저주파수대역 강도), HF(power in high frequency, 고주파수대역 강도), 저주파수대역의 정규화된 강도(normalized LF, nLF), 고 주파수대역의 정규화된 강도(normalized HF, nHF), LF/HF (LF/HF ratio, 저주파수대 고주파수의 대역 강도비) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템의 구동방법.
According to claim 7,
HRV indicators are mean RR interval (mRR), mean heart rate (mHR), SDNN (standard deviation of normal-to-normal interval), RMSSD (root mean square differences of successive RR intervals), 5-minute total intensity (5-minute total power, TP), VLF (very low frequency), LF (power in low frequency, low frequency), HF (power in high frequency, high frequency), low frequency normalization Characterized in that it includes one or more of normalized intensity (normalized LF, nLF), normalized intensity of high frequency band (normalized HF, nHF), LF / HF (LF / HF ratio, band intensity ratio of low frequency band and high frequency band) , A method of driving a system that predicts a 5-minute or 3-minute heart rate variability index from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes.
제8항에 있어서,
HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터는,
연산처리부가, 심박 측정장치로부터 수신된 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 선형회귀식을 구하고, 상기 선형회귀식을 이용하여, 3분 심박 데이터 또는 5분 심박 데이터를, 예측 3분 심박 데이터 또는 예측 5분 심박 데이터로서, 검출하고, 예측 3분 심박 데이터 또는 예측 5분 심박 데이터를 FFT(고속푸리에변환)를 행하여 구하여진 데이터인 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템의 구동방법.
According to claim 8,
The second input data of the HRV index prediction model is
The calculation processing unit obtains a linear regression equation from the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes received from the heart rate measuring device, and using the linear regression equation, the 3-minute heart rate data or the 5-minute heart rate data is predicted, the 3-minute heart rate data or the prediction As 5-minute heart rate data, it is characterized in that it is data obtained by detecting and performing FFT (Fast Fourier Transform) on predicted 3-minute heart rate data or predicted 5-minute heart rate data. A method of operating a system that predicts heart rate variability index per minute.
제8항에 있어서,
연산처리부는, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터를 플롯 타잎(float type)의 (0, 1) 값으로 정규화하여, HRV 지표 예측 모델에 입력하는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템의 구동방법.
According to claim 8,
The calculation processing unit normalizes the first input data of the HRV index prediction model to a (0, 1) value of a float type, and inputs the data to the HRV index prediction model. A method of driving a system that predicts a 5-minute or 3-minute heart rate variability index.
제8항에 있어서,
연산처리부는, HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터를, 플롯 타잎(float type)의 (0, 1) 값으로 정규화하여, HRV 지표 예측 모델에 입력하는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템의 구동방법.
According to claim 8,
The calculation processing unit normalizes the second input data of the HRV index prediction model to a (0, 1) value of a float type, and inputs the data to the HRV index prediction model. A method of driving a system that predicts a 5-minute or 3-minute heart rate variability index from
제7항에 있어서,
HRV 지표 예측단계는, 예측모델 입력데이터 생성단계를 포함하되,
예측모델 입력데이터 생성단계는,
연산처리부(200)는, 심박 측정단계에서 측정된 3분 미만 측정구간 심박 데이터를 수신하고, 수신된 3분 미만 측정구간 심박 데이터에서 잡음을 제거하고, 잡음이 제거된 3분 미만 측정구간 심박 데이터를, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터로서, 메모리부에 저장하는, 잡음제거 단계;
연산처리부는, 잡음제거 단계에서 잡음이 제거된 3분 미만 측정구간 심박 데이터에서, 잡음이 제거된 부분의 데이터를 보간(interpolation)하는, 보간단계;
연산처리부는, 보간단계에서 보간된 3분 미만 측정구간 심박 데이터를, 기 설정된 샘플링 레이트로, 다시 생플링하는, 리샘플링단계;
연산처리부는, 리샘플링단계에서 리샘플링된 3분 미만 측정구간 심박 데이터에서 선형 회귀(linear regression)식을 구하는, 선형회귀식 추출단계;
연산처리부는, 선형회귀식 추출단계에서 구하여진 선형회귀식을 이용하여, 예측된 3분 데이터 또는 예측된 5분 데이터를, 예측 심박 데이터로서, 생성하는, 예측 심박 데이터 생성단계;
연산처리부는, 예측 심박 데이터 생성단계에서 생성된 예측 심박 데이터를 FFT(고속푸리에변환)을 행하여, FFT된 예측 심박 데이터를, 메모리부에 저장하는, FFT 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템의 구동방법.
According to claim 7,
The HRV index prediction step includes the step of generating input data for the prediction model,
The step of generating the predictive model input data is,
The calculation processing unit 200 receives the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes measured in the heart rate measurement step, removes noise from the received heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes, and removes noise from the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes. a noise removal step of storing in a memory unit as real heartbeat data for a measurement period of less than 3 minutes;
An interpolation step of interpolating the data of the noise-removed part in the heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes from which the noise was removed in the noise-removal step;
a resampling step of, by the calculation processing unit, re-sampling the heart rate data of the measurement interval of less than 3 minutes interpolated in the interpolation step at a preset sampling rate;
The calculation processing unit may include a linear regression equation extraction step of obtaining a linear regression equation from the heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes resampled in the resampling step;
a predicted heart rate data generation step of generating, as predicted heart rate data, the predicted 3-minute data or the predicted 5-minute data by using the linear regression equation obtained in the linear regression equation extraction step;
an FFT step of, in the calculation processing unit, performing FFT (Fast Fourier Transform) on the predicted heart rate data generated in the predicted heart rate data generating step, and storing the FFT predicted heart rate data in a memory unit;
A method of driving a system for predicting a heart rate variability index of 5 minutes or 3 minutes from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes, characterized in that it comprises a.
제13항에 있어서,
HRV 지표 예측단계는, 전처리 단계를 더 포함하되,
전처리 단계는,
연산처리부는, 잡음제거 단계에서 잡음이 제거된 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터를, 기설정된 데이터 크기로, 변환하되,
상기 데이터 크기 내에서, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터는 중앙에 배치하고, 배치된 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터의 앞뒤를, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터의 평균값으로 채운 데이터를, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터로 하고,
HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터를 플롯 타잎(float type)의 (0, 1) 값으로 정규화하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터의 크기조정 및 정규화단계;
연산처리부는, 상기 FFT 단계에서 FFT된 예측 심박 데이터를, HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터로서, float type의 (0, 1) 값으로 정규화하는, 정규화된 예측용 데이터 생성단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템의 구동방법.
According to claim 13,
The HRV index prediction step further includes a preprocessing step,
The preprocessing step is
The calculation processing unit converts the actual heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes from which noise is removed in the noise removal step to a preset data size,
Within the data size, the actual heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes is placed in the center, and the front and back of the actual heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes is filled with the average value of the actual heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes. HRV As the index prediction model first input data,
sizing and normalizing heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes, normalizing first input data of the HRV indicator prediction model to a (0, 1) value of a float type;
a normalized predictive data generating step of normalizing, by the calculation processing unit, the predicted heart rate data FFTed in the FFT step to (0, 1) values of a float type as first input data of the HRV indicator prediction model;
A method of driving a system for predicting a heart rate variability index of 5 minutes or 3 minutes from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes, characterized in that it comprises a.
제14항에 있어서, HRV 지표 예측단계는,
연산처리부는, 정규화된 HRV 지표 예측 모델 제1 입력 데이터, 정규화된 HRV 지표 예측 모델 제2 입력 데이터를, 인공신경망의 HRV 지표 예측 모델에 입력하여 HRV 지표 예측 모델을 실행하는, HRV 지표 예측 모델 구동단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템의 구동방법.
The method of claim 14, wherein the HRV index prediction step,
The operation processing unit inputs the normalized HRV indicator prediction model first input data and the normalized HRV indicator prediction model second input data to the HRV indicator prediction model of the artificial neural network to execute the HRV indicator prediction model, driving the HRV indicator prediction model A method of driving a system for predicting a heart rate variability index of 5 minutes or 3 minutes from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes, characterized in that it further comprises the step.
제7항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
연산처리부는, 인공신경망의 HRV 지표 예측 모델의 훈련을 위해, 심박측정장치로 측정된, 3분 심박 데이터인 또는 5분 심박 데이터를, HRV 원시 데이터로서 수신하고, 수신된 HRV 원시 데이터로부터, 3분 미만의 기 설정된 시간단위로, 3분 미만 심박 데이터를, 3분 미만 학습용 심박 데이터로서 추출하고,
추출된 3분 미만 학습용 심박 데이터를, 기설정된 데이터 크기로, 변환하되,
상기 데이터 크기 내에서,3분 미만 학습용 심박 데이터는 중앙에 배치하고, 배치된 3분 미만 학습용 심박 데이터의 앞뒤를, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터의 평균값으로 채운 데이터를, 학습용 제1 데이터로 하고,
3분 미만 학습용 심박 데이터를 이용하여 선형회귀식을 구하고, 상기 선형회귀식을 이용하여, 3분 심박 데이터 또는 5분 심박 데이터를, 예측 심박 데이터로서, 검출하고, 상기 예측 심박 데이터를 FFT(고속푸리에변환)를 행하진 데이터를, 학습용 제2 데이터로 하고,
HRV 원시 데이터로부터 HRV 지표를 검출하여 학습용 정답 데이터로 하고,
학습용 제1 데이터, 학습용 제2 데이터 및 학습용 정답 데이터를 이용하여, 인공신경망의 HRV 지표 예측 모델을 훈련시키는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템의 구동방법.
The method of any one of claims 7 to 15,
The calculation processing unit receives 3-minute heart rate data or 5-minute heart rate data measured by the heart rate measuring device as HRV raw data for training of the HRV indicator prediction model of the artificial neural network, and from the received HRV raw data, 3 In a preset time unit of less than 3 minutes, extract heart rate data for less than 3 minutes as training heart rate data for less than 3 minutes,
Convert the extracted heart rate data for training of less than 3 minutes to a preset data size,
Within the data size, the heart rate data for training of less than 3 minutes is placed in the center, and data filled with the average value of the actual heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes is used as the first data for learning. do,
A linear regression equation is obtained using heart rate data for training of less than 3 minutes, using the linear regression equation, 3-minute heart rate data or 5-minute heart rate data is detected as predicted heart rate data, and the predicted heart rate data is FFT (fast Fourier transform) is used as second data for learning,
Detect HRV index from HRV raw data and use it as correct answer data for learning,
Characterized in that the HRV indicator prediction model of the artificial neural network is trained using the first data for learning, the second data for learning, and the correct answer data for learning, a 5-minute or 3-minute heart rate variability index from the heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes How to drive the predictive system.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 연산처리부는,
연산처리부는, 인공신경망의 HRV 지표 예측 모델의 훈련을 위해, 심박측정장치로 측정된, 3분 심박 데이터인 또는 5분 심박 데이터를, HRV 원시 데이터로서 수신하고, 수신된 HRV 원시 데이터로부터, 3분 미만의 기 설정된 시간단위로, 3분 미만 심박 데이터를, 3분 미만 학습용 심박 데이터로서 추출하고,
추출된 3분 미만 학습용 심박 데이터를, 기설정된 데이터 크기로, 변환하되,
상기 데이터 크기 내에서,3분 미만 학습용 심박 데이터는 중앙에 배치하고, 배치된 3분 미만 학습용 심박 데이터의 앞뒤를, 3분 미만 측정구간 실제 심박 데이터의 평균값으로 채운 데이터를, 학습용 제1 데이터로 하고,
3분 미만 학습용 심박 데이터를 이용하여 선형회귀식을 구하고, 상기 선형회귀식을 이용하여, 3분 심박 데이터 또는 5분 심박 데이터를, 예측 심박 데이터로서, 검출하고, 상기 예측 심박 데이터를 FFT(고속푸리에변환)를 행하진 데이터를, 학습용 제2 데이터로 하고,
HRV 원시 데이터로부터 HRV 지표를 검출하여 학습용 정답 데이터로 하고,
학습용 제1 데이터, 학습용 제2 데이터 및 학습용 정답 데이터를 이용하여, 인공신경망의 HRV 지표 예측 모델을 훈련시키는 것을 특징으로 하는, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템.
The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the calculation processing unit,
The calculation processing unit receives 3-minute heart rate data or 5-minute heart rate data measured by the heart rate measuring device as HRV raw data for training of the HRV indicator prediction model of the artificial neural network, and from the received HRV raw data, 3 In a preset time unit of less than 3 minutes, extract heart rate data for less than 3 minutes as training heart rate data for less than 3 minutes,
Convert the extracted heart rate data for training of less than 3 minutes to a preset data size,
Within the data size, the heart rate data for training of less than 3 minutes is placed in the center, and data filled with the average value of the actual heart rate data of the measurement period of less than 3 minutes is used as the first data for learning. do,
A linear regression equation is obtained using heart rate data for training of less than 3 minutes, using the linear regression equation, 3-minute heart rate data or 5-minute heart rate data is detected as predicted heart rate data, and the predicted heart rate data is FFT (fast Fourier transform) is used as second data for learning,
Detect HRV index from HRV raw data and use it as correct answer data for learning,
Characterized in that the HRV indicator prediction model of the artificial neural network is trained using the first data for learning, the second data for learning, and the correct answer data for learning, a 5-minute or 3-minute heart rate variability index from the heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes predictive system.
제7항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된, 3분 미만 측정구간 심박 데이터로부터 5분 또는 3분의 심박변이도 지표를 예측하는 시스템의 구동방법을 컴퓨터로 구현하기 위한 프로그램이 기록된, 컴퓨터로 판독가능한 기록매체.
A computer in which a program for implementing a method of driving a system for predicting a 5-minute or 3-minute heart rate variability indicator according to any one of claims 7 to 15 from heart rate data of a measurement period of less than 3 minutes by computer is recorded thereon. readable recording medium.
KR1020210074506A 2021-04-21 2021-06-09 Method and system for predicting HRV index of 5 minutes or 3 minutes based on artificial intelligence from HRV data of less than 3 minutes KR102483567B1 (en)

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