KR20050023491A - 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징구간의 검출방법 - Google Patents

다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징구간의 검출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법은, 외부의 장치로부터 다채널 심자도 신호를 입력받는 단계; 입력받은 다채널 심자도 신호의 신호 대 잡음 비의 향상을 위해 전처리를 수행하는 단계; 전처리를 거친 다채널 심자도 신호로부터 매 샘플링 시간마다 최대값과 최소값을 찾아 각각의 포락선을 검출하는 단계; 검출된 포락선의 최대값을 이어주는 포락선과 최소값을 이어주는 포락선 간의 차이를 계산하는 단계; 계산된 포락선의 차이로부터 특징점과 특징 구간의 검출이 용이하도록 포락선 차이를 강조하는 단계; 포락선 차이가 강조된 신호로부터 최대값을 찾고, 임의의 임계값을 설정하여 R파 위치를 검출하는 단계; 검출된 R파 위치를 바탕으로 전방향으로의 P파와 Q파, 후방향으로의 S파와 T파의 위치를 각각 검출하는 단계; 각 검출된 특징점으로부터 전후방향으로의 각파의 시작점과 끝점의 위치를 검출하는 단계; 및 검출된 각파의 시작점과 끝점의 위치를 바탕으로 특징 구간을 검출하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 다채널 심자도 신호로부터 심장 질환의 진단 지표로 활용할 수 있는 특징점인 P파, Q파, R파, S파, T파의 위치 검출과 특징구간인 RR 구간, PR 구간, PR 분절, QRS 폭, QT 구간, QTc 구간의 검출을 용이하게 수행할 수 있다.

Description

다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법 {Method for detecting feature parameter and duration using multi-channel signal of magnetocardiography}
본 발명은 심자도의 특징 점 및 특징 구간의 검출방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 심전도에서 사용되는 특징점(P,Q,R,S,T)과 특징구간(RR 간격, PR 간격, PR 분절, QRS 폭, QT 구간, QTc 구간)의 검출과 마찬가지로, 심자도 신호로부터 특징점과 특징구간 검출을 위하여, 다채널 심자도 신호의 입력에 대하여 전처리 과정(대역 통과 필터링 혹은 적응 필터링)과 포락선 검출, 포락선 차이 검출, 포락선 강조를 통해 효율적으로 R 파를 검출한 후 이로부터 전방향으로 P 파 및 Q 파 검출, 후방향으로 S 파 및 T 파를 검출하는 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법에 관한 것이다.
일반적으로, 인간과 유사한 많은 생물의 심장은 전기신호 자극에 의해 심근이 수축함으로써 혈액의 순환이 이루어지도록 하는 역할을 담당하고 있다.
심전도(Electrocardiogram:ECG)는 이 심근의 수축을 재촉하는 활동전위에 의한 전위분포를 기록한 것이고, 심자도(Magnetocardiogram:MCG)는 심장의 전류원에 의한 자기장의 분포를 기록한 것으로서, 모두 심장의 질환을 진단하는데에 이용된다.
근래에 초전도양자간섭소자(Superconducting QUantum Interference Device: SQUID) 기술의 발전으로 기존의 생체의 전기적 신호 측정을 통하여 의학적인 질병을 진단하는 방법에서 생체의 자기적 신호를 측정하는 심자도(MCG)와 뇌자도 (MagnetoEncephalogram:MEG) 등을 이용한 진단 방법이 등장하게 되었다. 생체는 자기적으로 투명한 성질을 가지고 있어서 생체의 자기 신호는 외부에서 계측하더라도 왜곡되지 않는 특징을 가지고 있어 심자도 신호를 이용한 심장 질환 진단은 장점을 가질 수 있다.
심전도는 심장 질환을 진단하는데 보편적으로 사용되는 방법으로 심전도에서 특징점을 나타나는 파형으로는 P파, Q파, R파, S파, T파 등이 있다. P파는 심방의 탈분극에 의해 형성되고, Q파, R파, S파의 QRS군은 심실의 탈분극에 의해 형성되며, T파는 심실의 재분극에 의해서 형성된다. 심전도에서 나타나는 특징 구간으로는 RR 구간, PR 구간, PR 분절, QRS 폭, QT 구간, QTc 구간 등이 있다. RR 구간은 2개의 연속 R파 사이의 간격으로 심박수를 나타내는 지표로 사용되고, PR 구간은 P파 시작부터 QRS군 시작까지의 간격으로 심방부터 심실근육까지의 자극전도시간을 의미하며, PR 분절은 P파 끝부터 QRS군 시작까지의 간격이고, QRS 폭은 QRS군 시작부터 끝까지의 간격으로 심실의 총탈분극 시간을 의미하며, QT 구간은 QRS군 시작부터 T파의 끝까지 간격으로 심실의 전기적 수축기이고, QTc 구간은 Bazet 공식인 다음의 수식에 의해서 계산되는 간격이다.
마찬가지로, 심자도에서도 심전도에서와 유사한 특징점과 특징 구간을 관측할 수 있으나, 지금까지 다채널 심자도 신호의 경우 명확한 특징점과 특징 구간을 검출하는 방법이 제시되지 못하고 있는 실정이며, 그나마 제시된 방법들도 이상적인 경우에만 활용 가능한 단점을 가지고 있다.
본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 심장에서 발생되는 미소 자장을 초전도양자 간섭소자를 이용하여 다채널로 계측하고, 계측된 다채널 심자도 신호로부터 특징점과 특징구간을 검출함으로써, 그 검출된 특징점과 특징구간을 바탕으로 심장 질환 진단의 지표로 활용할 수 있도록 하는 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법은,
외부의 장치로부터 다채널 심자도 신호를 입력받는 단계;
상기 입력받은 다채널 심자도 신호의 신호 대 잡음 비의 향상을 위해 전처리를 수행하는 단계;
상기 전처리를 거친 다채널 심자도 신호로부터 매 샘플링 시간마다 최대값과 최소값을 찾아 각각의 포락선을 검출하는 단계;
상기 검출된 포락선의 최대값을 이어주는 포락선과 최소값을 이어주는 포락선 간의 차이를 계산하는 단계;
상기 계산된 포락선의 차이로부터 특징점과 특징 구간의 검출이 용이하도록 포락선 차이를 강조하는 단계;
상기 포락선 차이가 강조된 신호로부터 최대값을 찾고, 임의의 임계값을 설정하여 R파 위치를 검출하는 단계;
상기 검출된 R파 위치를 바탕으로 전방향으로의 P파와 Q파, 후방향으로의 S파와 T파의 위치를 각각 검출하는 단계;
상기 각 검출된 특징점으로부터 전후방향으로의 각파의 시작점과 끝점의 위치를 검출하는 단계; 및
상기 검출된 각파의 시작점과 끝점의 위치를 바탕으로 특징 구간을 검출하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법에 따라 심자도의 특징점 및 특징 구간을 검출하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법에 따라, 먼저 외부의 장치로부터 도 2에 도시된 바와 같은 다채널 심자도 신호(심자도 채널1,...,심자도 채널n)를 입력받는다(단계 101). 그런 후, 그 입력받은 다채널 심자도 신호의 신호 대 잡음 비(signal vs noise ratio)의 향상을 위해 전처리를 수행한다(단계 102). 이때, 전처리는 디지털 필터링 혹은 디지털 적응 필터링을 통해 이루어진다.
이상과 같이 전처리 과정이 완료되면, 그 전처리를 거친 다채널 심자도 신호로부터 매 샘플링 시간마다 최대값과 최소값을 찾아 도 6에 도시된 바와 같이, 포락선을 검출한다(단계 103). 그런 후, 그 검출된 포락선의 최대값을 이어주는 포락선과 최소값을 이어주는 포락선 간의 차이를 계산한다(단계 104). 도 7은 두 포락선의 차이를 검출한 예를 보여주는 도면이다.
그런 후, 도 8에 도시된 바와 같이, 그 계산된 포락선의 차이로부터 특징점과 특징 구간의 검출이 용이하도록 포락선 차이를 강조한다(단계 105). 그런 다음, 그 포락선 차이가 강조된 신호로부터 최대값을 찾고, 임의의 임계값을 설정하여 R파의 위치를 검출한다(단계 106). 여기서, 이 R파의 위치를 검출하는 과정에 대해 도 3을 참조하여 더 상세히 설명해 보기로 한다.
도 3은 R파의 위치 검출 루틴을 보여주는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 먼저 전체 데이터(S) 구간에서 최대값(Smax)을 검출하고(단계 301), 이로부터 적절한 임계값(th)을 설정한다(단계 302). 이때, 일반적으로 최대값의 85%의 크기로 임계값을 설정한다. 임계값을 설정한 후, 기 설정된 임계값보다 큰 값을 가지는 구간을 검출하고(단계 303), 그 검출 구간을 인덱싱한다(단계 304). 즉, 설정된 임계값보다 큰 값을 가지는 구간을 #1, #2, #3,...등과 같이 인덱싱을 수행한다. 이와 같이 검출 구간에 대한 인덱싱이 완료되면, 검출 구간 내에서 최대값을 갖거나 혹은 미분이 "0"이 되는 시간 위치 및 R파의 실제값을 검출한다(단계 305).
한편, 도 1을 다시 참조하면, 이상에 의해 R파의 위치 검출이 완료되면, 그 검출된 R파의 위치를 바탕으로 전방향으로의 P파와 Q파, 후방향으로의 S파와 T파의 위치를 각각 검출한다(단계 107). 여기서, 이와 같은 P, Q, S, T파의 위치 검출에 대해 더 상세히 설명해 보기로 한다.
도 4는 P, Q, S, T파의 위치 검출 루틴을 보여주는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 P, Q, S, T파의 각각의 위치 결정을 위한 각각의 창함수(Wp, Wq, Ws, Wt)를 설정한다(단계 401). 예를 들면, P파 검출을 위한 창함수 (Wp)는 일반적인 심자도 신호에서 R파 시간위치에서 P파의 시간위치가 존재하는 시간 구간의 최대-최소 구간을 구형 창함수로 설계한다.
각 창함수(Wp, Wq, Ws, Wt)의 설정이 완료되면, 상기 검출된 R파 위치로부터 상기 설정된 P파 검출을 위한 창함수(Wp)의 범위내에서 미분이 "0"이 되는 위치 혹은 창함수의 구간내에서 최대값을 갖는 P파를 검출하고(단계 402), 동일한 방식으로 검출된 R파 위치로부터 Q파 검출을 위한 창함수(Wq)의 범위내에서 미분이 "0"이 되는 위치 혹은 창함수의 구간내에서 최대값을 갖는 Q파를 검출한다(단계 403). 또한, 동일한 방식으로 검출된 R파 위치로부터 S파 검출을 위한 창함수(Ws)의 범위내에서 미분이 "0"이 되는 위치 혹은 창함수의 구간내에서 최대값을 갖는 S파를 검출하고(단계 404), 마찬가지로 검출된 R파 위치로부터 T파 검출을 위한 창함수(Wt)의 범위내에서 미분이 "0"이 되는 위치 혹은 창함수의 구간내에서 최대값을 갖는 T파를 검출한다(단계 405).
이상에 의해 P, Q, S, T파의 각 위치 검출이 완료되면, 다시 도 1에서와 같이, 상기 각 검출된 특징점으로부터 전후방향으로의 각 파의 시작점과 끝점의 위치를 검출한다(단계 108). 여기서, 각 파의 시작점과 끝점의 위치를 검출하는 과정에 대해 더 상세히 설명해 보기로 한다.
도 5는 각 파의 시작점과 끝점의 위치 검출 루틴을 보여주는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 각 파의 시작점 및 끝점(P파의 시작점, P파의 끝점, Q파의 시작점, S파의 끝점, T파의 끝점)의 검출을 위한 시작점 창함수(Wst)와 끝점 창함수(Wen)를 설정한다(단계 501). 예를 들면, P파의 시작점을 위한 시작점 창함수(Wst)는 일반적인 심자도 신호의 P파 시간위치에서 전방향으로 P파의 시작점으로 결정할 수 있는 최대-최소 시간구간으로 하는 구형 창함수를 설정하고, 나머지 각 파의 시작점, 끝점 검출도 마찬가지 방법으로 한다.
시작점 창함수(Wst)와 끝점 창함수(Wen)의 설정이 완료되면, 상기 검출된 각 파의 위치로부터 전방향으로 시작점 창함수(Wst) 내에서 미분이 "0"이 되는 위치 혹은 창함수의 구간내에서 최소값을 갖는 각파의 시작점을 검출하고(단계 502), 검출된 각 파의 위치로부터 후방향으로 끝점 창함수(Wen) 내에서 미분이 "0"이 되는 위치 혹은 창함수의 구간내에서 최소값을 갖는 각파의 끝점을 검출한다(단계 503).
이상과 같은 일련의 과정에서, 시작점의 검출에서 여러 개의 미분이 "0"이 되는 위치가 검출될 경우, 마지막 검출 위치를 시작점으로 결정하고, 끝점의 검출에서 여러 개의 미분이 "0"이 되는 위치가 검출될 경우에는 첫 번째 검출 위치를 끝점으로 결정한다. 또한, 상기 도 4 및 도 5에서 모든 창함수는 R파 위치로부터 전후방향으로 임상적 데이터를 바탕으로 적절한 위치에, 적절한 크기를 갖도록 설계된다.
이상에 의해 각 파의 시작점 및 끝점의 검출이 완료되면, 다시 도 1에 도시된 바와 같이, 그 검출된 각파의 시작점과 끝점의 위치를 바탕으로 특징 구간을 검출한다(단계 109).
한편, 도 9는 심전도 신호의 특징점 및 특징 구간, 도 10은 심전도 신호의 특징 구간 중의 RR 구간, 도 11은 본 발명의 방법에 따라 검출한 심자도 신호의 특징점 및 특징 구간의 검출예를 각각 보여주는 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 검출 방법에 의하면, 다채널 심자도 신호로부터 심장 질환의 진단 지표로 활용할 수 있는 특징점인 P파, Q파, R파, S파, T파의 위치 검출과 특징구간인 RR 구간, PR 구간, PR 분절, QRS 폭, QT 구간, QTc 구간 검출이 용이하다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법은 심장에서 발생되는 미소 자장을 초전도양자 간섭소자를 이용하여 다채널로 계측하고, 계측된 다채널 심자도 신호로부터 특징점과 특징구간을 검출하므로, 다채널 심자도 신호로부터 심장 질환의 진단 지표로 활용할 수 있는 특징점인 P파, Q파, R파, S파, T파의 위치 검출과 특징구간인 RR 구간, PR 구간, PR 분절, QRS 폭, QT 구간, QTc 구간의 검출을 용이하게 수행할 수 있다. 또한, 다채널 심자도 신호로의 포락선 검출은 특징점과 특징 구간 결정에 있어서의 채널별 특징점과 특징 구간 결정이 쉽지 않은 단점을 보완할 수 있으며, 포락선의 차이 강조를 통해 포락선 차이 강조된 단일 채널에서 특징점과 특징구간의 결정이 이루어지므로 연산 시간을 단축할 수 있고, 오차 발생이 많은 심전도 신호의 특징점과 특징 구간 결정의 단점을 보완할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법에 따라 심자도의 특징점 및 특징 구간을 검출하는 과정을 보여주는 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법에 이용되는 다채널 심자도 신호 파형을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법에 있어서, R파의 위치 검출 루틴을 보여주는 흐름도.
도 4는 본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법에 있어서, P, Q, S, T파의 위치 검출 루틴을 보여주는 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법에 있어서, 각 파의 시작점과 끝점의 위치 검출 루틴을 보여주는 흐름도.
도 6은 본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법에 있어서, 전처리 과정후 검출한 최대점 및 최소점에 대한 포락선을 보여주는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법에 있어서, 최대점 포락선과 최소점 포락선과의 차이를 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법에 있어서, 포락선 차이로부터 신호를 강조한 상태를 보여주는 도면.
도 9는 일반적인 심전도 신호의 특징점 및 특징 구간의 검출예를 보여주는 도면.
도 10은 일반적인 심전도 신호의 특징 구간 중의 RR 구간의 검출예를 보여주는 도면.
도 11은 본 발명에 따른 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법에 따라 검출한 심자도 신호의 특징점 및 특징 구간의 검출예를 보여주는 도면.

Claims (7)

  1. a) 외부의 장치로부터 다채널 심자도 신호를 입력받는 단계;
    b) 상기 입력받은 다채널 심자도 신호의 신호 대 잡음 비의 향상을 위해 전처리를 수행하는 단계;
    c) 상기 전처리를 거친 다채널 심자도 신호로부터 매 샘플링 시간마다 최대값과 최소값을 찾아 각각의 포락선을 검출하는 단계;
    d) 상기 검출된 포락선의 최대값을 이어주는 포락선과 최소값을 이어주는 포락선 간의 차이를 계산하는 단계;
    e) 상기 계산된 포락선의 차이로부터 특징점과 특징 구간의 검출이 용이하도록 포락선 차이를 강조하는 단계;
    f) 상기 포락선 차이가 강조된 신호로부터 최대값을 찾고, 임의의 임계값을 설정하여 R파 위치를 검출하는 단계;
    g) 상기 검출된 R파 위치를 바탕으로 전방향으로의 P파와 Q파, 후방향으로의 S파와 T파의 위치를 각각 검출하는 단계;
    h) 상기 각 검출된 특징점으로부터 전후방향으로의 각파의 시작점과 끝점의 위치를 검출하는 단계; 및
    i) 상기 검출된 각파의 시작점과 끝점의 위치를 바탕으로 특징 구간을 검출하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 f)에서의 R파의 위치 검출은
    전체 데이터(S) 구간에서 최대값(Smax)을 검출하는 단계;
    상기 검출된 최대값으로부터 적절한 임계값(th)을 설정하는 단계;
    상기 임계값의 설정 후, 기 설정된 임계값보다 큰 값을 가지는 구간을 검출하는 단계;
    상기 검출된 기 설정된 임계값보다 큰 값을 가지는 구간을 인덱싱하는 단계; 및
    검출 구간 내에서 최대값을 갖거나 혹은 미분이 "0"이 되는 시간 위치 및 R파의 실제값을 검출하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 임계값(th)은 최대값의 85%의 크기로 설정하는 것을 특징으로 하는 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단계 g)에서의 P, Q, S, T파의 위치 검출은
    P, Q, S, T파의 각각의 위치 결정을 위한 각각의 창함수(Wp, Wq, Ws, Wt)를 설정하는 단계;
    상기 검출된 R파 위치로부터 상기 설정된 P파 검출을 위한 창함수(Wp)의 범위내에서 미분이 "0"이 되는 위치 혹은 창함수의 구간내에서 최대값을 갖는 P파를 검출하는 단계;
    상기 검출된 R파 위치로부터 상기 설정된 Q파 검출을 위한 창함수(Wq)의 범위내에서 미분이 "0"이 되는 위치 혹은 창함수의 구간내에서 최대값을 갖는 Q파를 검출하는 단계;
    상기 검출된 R파 위치로부터 상기 설정된 S파 검출을 위한 창함수(Ws)의 범위내에서 미분이 "0"이 되는 위치 혹은 창함수의 구간내에서 최대값을 갖는 S파를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 R파 위치로부터 상기 설정된 T파 검출을 위한 창함수(Wt)의 범위내에서 미분이 "0"이 되는 위치 혹은 창함수의 구간내에서 최대값을 갖는 T파를 검출하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 P파 검출을 위한 창함수(Wp)는 일반적인 심자도 신호에서 R파 시간위치에서 P파의 시간위치가 존재하는 시간 구간의 최대-최소 구간을 구형 창함수로 설계하는 것을 특징으로 하는 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단계 h)에서의 각파의 시작점과 끝점의 위치 검출은
    각 파의 시작점 및 끝점(P파의 시작점, P파의 끝점, Q파의 시작점, S파의 끝점, T파의 끝점)의 검출을 위한 시작점 창함수(Wst)와 끝점 창함수(Wen)를 설정하는 단계;
    상기 시작점 창함수(Wst)와 끝점 창함수(Wen)의 설정 후, 상기 검출된 각 파의 위치로부터 전방향으로 상기 시작점 창함수(Wst) 내에서 미분이 "0"이 되는 위치 혹은 창함수의 구간내에서 최소값을 갖는 각파의 시작점을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 각 파의 위치로부터 후방향으로 끝점 창함수(Wen) 내에서 미분이 "0"이 되는 위치 혹은 창함수의 구간내에서 최소값을 갖는 각파의 끝점을 검출하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 시작점의 검출에서 여러 개의 미분이 "0"이 되는 위치가 검출될 경우, 마지막 검출 위치를 시작점으로 결정하고, 끝점의 검출에서 여러 개의 미분이 "0"이 되는 위치가 검출될 경우에는 첫 번째 검출 위치를 끝점으로 결정하는 것을 특징으로 하는 다채널 심자도 신호를 이용한 심자도의 특징점 및 특징 구간의 검출방법.
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