KR20120122856A

KR20120122856A - Ｅｃｇ 신호에서의 ｒ－피크 검출 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR20120122856A
Application number: KR1020110078705A
Authority: KR
Inventors: 이상국; 정우혁
Original assignee: 가톨릭대학교 산학협력단
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2012-11-07
Also published as: KR101245445B1

Abstract

본 발명은 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, ECG 신호를 전처리하는 단계와, 상기 ECG 신호에서 제1시간범위 이내의 신호 중 가장 큰 피크 값을 사용하여 제1임계값을 설정하는 단계와, 상기 제1임계값을 사용하여 R-피크 값의 검출 범위를 설정하는 단계와, 상기 검출 범위 내에서 상위 피크값에 해당되는 제1 내지 제N의 R-피크 값을 검출하는 단계와, 상기 R-피크 값 중 최근 N-1개의 R-피크 값의 평균을 사용하여 제2임계값을 설정하는 단계, 및 상기 제2임계값을 사용하여 제N+1의 R-피크값을 검출하는 단계를 포함하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법 및 그 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법 및 그 장치에 따르면, SVD 필터를 사용하여 원신호로부터 노이즈를 효과적으로 제거한 후, 기 설정된 시간범위 내에서 별도의 임계값을 사용하여 R-피크 값의 검출함으로써 검출 효율을 높일 수 있다. 또한, 별도의 재검출(Search Back) 과정을 거침에 따라 이전에 미검출된 R-피크 값을 재차적으로 신뢰성 있게 검출할 수 있어서 검출 오류율을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

ＥＣＧ 신호에서의 Ｒ－피크 검출 방법 및 그 장치{R-peak detection method in ECG Signal and apparatus thereof}

본 발명은 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 심전도(ECG; Electrocardiogram) 신호에서 R-피크를 검출하기 위한 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

ECG신호는 심장근육으로 부터 발산되는 전기적활동의 연속적인 순환으로 형성된다. 이러한 ECG신호의 발생 시간과 형태는 환자의 심장상태를 반영한다. ECG신호의 성분 중에서 QRS는 가장 두드러진 신호이다. 그 중 R-피크(R-peak) 값 간의 간격(RRI)을 이용하면 심장 주기를 예측할 수 있으며, 정확한 심장 주기의 예측은 R-피크값의 검출 정확성에 비롯되는 것이다. 따라서, 신뢰성 있는 QRS 검출 알고리즘 개발이 필요하다.

그동안 QRS를 정확하게 검출하기 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다. 보통의 연구에서는 ECG 신호의 전처리를 위해 디지털 필터를 주로 사용하는데, 이는 원신호의 왜곡을 야기시키는 단점이 있다. 이렇게 왜곡된 신호는 R-피크의 형태를 변형시켜서, 추후 R-피크의 검출 시 노이즈로 인식될 수 있으며, 결과적으로 R-피크의 정확한 검출이 어렵게 된다. 또한, 이러한 부정확한 검출 결과는 데이터의 손실을 가져와서 검출 정확성을 떨어뜨리는 요인이 된다. 따라서, 노이즈를 왜곡없이 줄일 수 있으며 R-피크를 보다 정확하게 검출하기 위한 방안이 필요하다.

본 발명은, ECG 원신호로부터 R-피크값의 검출 정확성을 높일 수 있는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법 및 그 장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, ECG 신호를 전처리하는 단계와, 상기 ECG 신호에서 제1시간범위 이내의 신호 중 가장 큰 피크 값을 사용하여 제1임계값을 설정하는 단계와, 상기 제1임계값을 사용하여 R-피크 값의 검출 범위를 설정하는 단계와, 상기 검출 범위 내에서 상위 피크값에 해당되는 제1 내지 제N의 R-피크 값을 검출하는 단계와, 상기 R-피크 값 중 최근 N-1개의 R-피크 값의 평균을 사용하여 제2임계값을 설정하는 단계, 및 상기 제2임계값을 사용하여 제N+1의 R-피크값을 검출하는 단계를 포함하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법을 제공한다.

여기서, 상기 ECG 신호를 전처리하는 단계에서, 상기 ECG 신호는 16×16 형태의 A 행렬로서, A=UΣV^T이고, U는 좌 특이행렬, V는 우 특이행렬, Σ는 대각행렬이며, SVD(Singular Value Decomposition) 필터를 사용하여 상기 ECG 신호로부터 노이즈를 제거하며, 상기 SVD 필터는 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.

여기서, α_i는 상기 A 행렬에서 i번째 열의 대각행렬 성분 값을 의미한다.

그리고, 상기 제1임계값을 사용하여 R-피크 값의 검출 범위를 설정하는 단계는, 상기 제1시간범위 이내의 신호 중 상기 제1임계값보다 큰 첫 번째 ECG값을 시작점으로 설정하는 단계와, 상기 시작점으로부터 상기 제1임계값보다 작은 첫 번째 ECG값을 끝점으로 설정하는 단계, 및 상기 끝점으로부터 제2시간범위 이내에 상기 제1임계값보다 큰 ECG값이 존재할 경우, 상기 제1임계값보다 큰 ECG값으로부터 상기 제1임계값보다 작은 첫 번째 ECG값을 새로운 끝점으로 설정하여 상기 끝점을 갱신하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1임계값은 상기 제1시간범위 이내의 신호 중 가장 큰 피크 값의 25~35% 값이고, 상기 제1시간범위는 1500ms 이내이고,상기 제2시간범위는 360ms 이내일 수 있다.

또한, 상기 제2임계값을 설정하는 단계는, 상기 최근 N-1개의 R-피크 값의 평균에 대한 25~35% 값을 상기 제2임계값으로 설정할 수 있다.

그리고, 상기 제N+1의 R-피크값을 검출하는 단계는, 상기 제N의 R-피크값 이후 상기 제2임계값을 초과하는 피크값을 상기 제N+1의 R-피크값으로 검출할 수 있다.

여기서, 상기 제N 및 제N+1의 R-피크값 사이의 시간 간격인 제N RRI가, 이전의 제N-1 RRI와 제N-2 RRI 중 작은 RRI의 140~150% 이상이면, 상기 제N RRI 이내에서 R-피크값을 재검출할 수 있다.

이때, 상기 R-피크값을 재검출하는 단계는, 상기 제N의 R-피크값을 사용하여 제3임계값을 설정하는 단계, 및 상기 제3임계값으로부터 제2시간범위 이내에서 상기 제3임계값보다 큰 피크 값이 존재하면, 상기 제2시간범위 이후 상기 제3임계값보다 작은 첫 번째의 끝점으로부터 상기 제N+1 피크값 사이의 범위 내에서 상기 제3임계값을 초과하는 피크값 중 가장 큰 피크값을 R-피크값으로 추가로 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명은, ECG 신호를 전처리하는 전처리부와, 상기 ECG 신호에서 제1시간범위 이내의 신호 중 가장 큰 피크 값을 사용하여 제1임계값을 설정하는 제1임계값 설정부와, 상기 제1임계값을 사용하여 R-피크 값의 검출 범위를 설정하는 검출범위 설정부와, 상기 검출 범위 내에서 상위 피크값에 해당되는 제1 내지 제N의 R-피크 값을 검출하는 제1검출부와, 상기 R-피크 값 중 최근 N-1개의 R-피크 값의 평균을 사용하여 제2임계값을 설정하는 제2임계값 설정부, 및 상기 제2임계값을 사용하여 제N+1의 R-피크값을 검출하는 제2검출부를 포함하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법 및 그 장치에 따르면, SVD 필터를 사용하여 원신호로부터 노이즈를 효과적으로 제거한 후, 기 설정된 시간범위 내에서 별도의 임계값을 사용하여 R-피크 값의 검출함으로써 검출 효율을 높일 수 있다. 또한, 별도의 재검출(Search Back) 과정을 거침에 따라 이전에 미검출된 R-피크 값을 재차적으로 신뢰성 있게 검출할 수 있어서 검출 오류율을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 일반적인 ECG 신호의 형태를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 ECG 신호에서의 R-피크 검출 장치의 구성도이다.
도 3은 도 2를 이용한 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법의 흐름도이다.
도 4는 도 1의 전처리 단계를 적용한 ECG 신호의 예를 나타낸다.
도 5는 도 2에 의한 R-피크 값 검출을 위한 설명도이다.
도 6은 도 2에서 R-피크 값의 재검출을 위한 설명도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 MIT-BIH 데이터 100을 SVD 필터로 전처리한 결과를 보여준다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 ECG 신호로부터 R-피크 값을 검출하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 도 1은 일반적인 ECG 신호의 형태를 나타낸다. ECG 신호에서 R 지점은 심방의 수축을 나타내는 R-피크 지점을 의미하며, QRST는 심실의 수축에서 유래된 것이다.

R과 R 사이는 RRI(R-R Interval)이며, 이러한 RRI를 검출하면 심장 주기를 예측할 수 있고, 정확한 심장 주기 예측은 R-피크 값의 검출 정확성에 기인한다. 따라서, 본 발명에서는 ECG 신호에서 R-피크 값의 검출 정확도를 높일 수 있는 방법을 제공한다. 이를 위해, ECG 신호를 전처리하여 노이즈 성분을 제거한 다음, R-피크 값들을 검출하고, 그 과정에서 검출하지 못한 R-피크 값을 서치 백(search back) 방식으로 재검출하여 검출의 신뢰성을 높인다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 ECG 신호에서의 R-피크 검출 장치의 구성도이다. 상기 장치(100)는 전처리부(110), 제1임계값 설정부(120), 검출범위 설정부(130), 제1검출부(140), 제2임계값 설정부(150), 제2검출부(160), 재검출부(170)를 포함한다.

도 3은 도 2를 이용한 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법의 흐름도이다. 이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 상기 R-피크 검출 방법에 관하여 상세히 알아본다.

먼저, 전처리부(110)에서는 ECG 신호를 전처리한다(S310). 이때, 신호를 시간/주파수 영역으로 나타내는 SVD(Singular Value Decomposition) 필터를 사용한다.

상기 ECG 신호는 16×16 형태의 A 행렬로서, A=UΣV^T로 나타낼 수 있다. 상기 SVD 필터는 ECG 신호를 좌 특이행렬(U), 대각행렬(Σ), 그리고 우 특이행렬(V)로 분해하여 노이즈 값을 제거한다.

여기서, Σ는 대각성분을 제외한 성분이 0이면서, 대각성분이 내림차순으로 정렬된 행렬이다. 상기 SVD 필터를 사용하여, 상기 ECG 신호로부터 노이즈를 제거하는 방법은 수학식 1을 참조한다.

여기서, α_i는 i번째 열의 대각행렬 성분 값을 의미한다. 즉, 대각행렬(Σ)에 수학식 1을 적용하면, 대각 행렬 중 1~2열의 성분은 그대로 이용하고, 3~5열 성분들은 지수 함수를 적용하여 성분을 향상시켜 신호의 질을 높인다. 그리고, 6~16열의 ECG 신호 성분들은 노이즈로서, 0의 값을 적용하여 제거한다.

즉, α_i는 노이즈 신호의 i번째 성분에 특이값을 곱한 것으로서, 수학식 1에 따르면 1~2열의 성분은 그대로 이용하고 3~5열의 성분은 신호의 질을 향상시키고 그 외의 성분들은 제거한 것이다.

그리고, 우 특이행렬은 2열까지의 성분만 이용하고 나머지 성분을 제거한다.

이후, 상기 좌 특이행렬, 불필요한 성분이 제거된 대각 행렬, 그리고 2열까지의 성분만 이용한 우 특이행렬을 재결합하여 원신호를 표현하면 노이즈가 제거된 신호로 복원할 수 있다.

도 4는 도 1의 전처리 단계를 적용한 ECG 신호의 예를 나타낸다. 이는 노이즈가 추가된 ECG 신호에 SVD 필터를 적용한 결과로서 노이즈가 효과적으로 제거된 것이 확인이 된다.

상기 SVD 필터를 적용한 이후에는 기저선 변동을 제거하기 위하여 5Hz 이하의 잡음을 1차 Butterworth HPF를 이용하여 제거한다. ECG신호는 5~15Hz 사이에 중요한 정보가 존재하므로, 5Hz이하의 신호 값은 무시되어도 R-피크의 검출에 영향을 주지 않기 때문이다.

상기 기저선 변동을 제거한 이후에는 5-point 이동평균(Moving Everage)을 적용하여 잔여 노이즈를 감소시키고 신호를 부드럽게 한다. 마지막으로 신호의 제곱과정(Squaring)을 적용하여 신호를 강조한다.

상기와 같은 전처리 과정 이후에는, ECG 신호로부터 R-피크 값들을 검출한다. 그 상세한 과정은 아래의 내용을 참조한다.

도 5는 도 2에 의한 R-피크 값 검출을 위한 설명도이다. 먼저, 상기 제1임계값 설정부(120)는 상기 ECG 신호에서 제1시간범위(ex, 1500ms) 이내의 신호 중 가장 큰 피크 값을 사용하여 제1임계값(THV1; Threshold value 1)을 설정한다(S320).

예를 들어, 제1임계값(THV1)은 ECG 신호 중에서 1500ms 범위 이내의 신호 중 가장 큰 피크 값의 25~35%(ex, 30%) 값을 사용한다. 만약, 가장 큰 피크 값이 1.5인 경우, 상기 제1임계값(THV1)은 1.5의 30%에 해당되는 0.45 값이 이용된다.

이러한 제1임계값의 설정 과정은 다음의 수학식 2과 같이 표현될 수 있다.

이후, 상기 검출범위 설정부(130)는 상기 제1임계값(THV1)을 사용하여 R-피크 값의 검출 범위를 설정한다(S330). 이러한 S330 단계는 다음과 같다.

우선, 제1시간범위(ex, 1500ms) 이내의 신호 중 상기 제1임계값(THV1)보다 큰 첫 번째 ECG값을 시작점(S; S_s[n])으로 설정한다. 도 5에서는 설명의 편의를 위해 상기 시작점(S) 부위를 상기 제1임계값과 겹치는 지점으로 표기하였다.

다음, 상기 시작점(S)으로부터 상기 제1임계값보다 작은 첫 번째 ECG값을 끝점(E1; S_e[n])으로 설정한다.

상기 시작점과 끝점의 산출 과정은 수학식 3으로 요약될 수 있다.

이때, 상기 끝점(E1)으로부터 제2시간범위(ex, 360ms) 이내에 상기 제1임계값(THV1)보다 큰 ECG값(S' 지점)이 존재할 경우, 상기 제1임계값(THV1)보다 큰 ECG값(S' 지점)으로부터 다시 상기 제1임계값(THV1)보다 작은 첫 번째 ECG값(E;E2)을 새로운 끝점으로 설정하여 상기 끝점을 갱신한다. 이에 따라, 시작점 S는 그대로 유지하면서 끝점 E는 E1에서 E2로 갱신한다. 갱신된 끝점에 대해 이러한 과정을 1500ms 이내에서 반복하면 최종 끝점은 E6으로 갱신되어 결정된다.

참고로, 상술한 내용은 설명의 편의를 위해 T-wave (혹은 P-wave) 부분에 대한 끝점 검출 과정을 생략한 것이다. 따라서, 도 5와 같이 T wave가 임계값(THV1)보다 크면 E;E1 이후의 새로운 끝점이 T wave의 끝점(Te) 부분으로 검출될 수 있다. 이 경우 다시 Te 이후에 나타나는 새로운 끝점 E2가 끝점으로 갱신된다. 1500ms 이내에서 이와 같은 과정을 반복하면 최종 끝점이 E6으로 결정된다.

이상과 같은 S330 단계에 따르면, 상기 R-피크 값의 검출 범위가 시작점(S)로부터 최종 갱신된 끝점(E;E6)까지로 결정된다. 상기 끝점의 갱신 과정은 아래의 수학식 4로 요약될 수 있다.

이상과 같은 R-피크 값 검출 범위의 설정 단계(S330)는 1500ms 범위 이내에서 수행한 것이므로, 최종 결정된 R-피크 값의 검출 범위는 1500ms 범위보다 대체로 작아진다.

이후에는, 상기 제1검출부(140)에서는 상기 검출 범위 내에서 상위 피크값에 해당되는 제1 내지 제N(ex, N=6)의 R-피크 값을 검출한다(S340).

도 5의 경우, 상기 검출 범위 이내에 상위 피크값에 해당되는 R-피크 값이 총 6개인 경우이다. 이하에서는 N=6인 경우를 실시예로 하여 설명한다. 물론, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

다음, 제2임계값 설정부(150)에서는 순차적으로 검출된 6개의 R-피크 값(R1~R6) 중 최근 N-1개 즉, 최근 5개의 R-피크값(R2~R6)의 평균을 사용하여 제2임계값(THV2)을 설정한다(S350).

이때, 상기 최근 5개의 R-피크 값의 평균에 대한 25~35%(ex, 30%) 값을 상기 제2임계값(THV2)으로 설정한다. 즉, R2~R6 피크값의 평균이 1.3인 경우, 상기 제2임계값(THV2)은 1.3의 30%에 해당되는 0.39 값을 사용한다.

이러한 제2임계값의 설정 과정은 다음의 수학식 5를 참조한다.

여기서, R peak_AVG는 최근 5개의 R-피크값(R2~R6)의 평균을 나타낸다. 이와 같이 최근 5개의 R-피크 값에 대한 평균 값의 30%를 새로운 임계값(제2임계값)으로 설정하여 다음의 R-피크 값을 검출할 수 있다.

즉, 제2검출부(160)에서는, 상기 제2임계값(THV2)을 사용하여 제N+1의 R-피크값 즉, 7번째 R-피크 값을 검출한다(S360). 더 상세하게는, 상기 6번째 R-피크값(R6) 이후 상기 제2임계값(THV)을 초과하는 피크값을 상기 7번째 R-피크값(R7)으로 검출한다.

이러한 S360 단계의 과정은 그 다음의 R-피크 값 검출시마다 사용하여 적용할 수 있다. 즉, 다음의 R-피크 값 검출 시마다 지속적으로 임계값을 갱신하여 해당 R-피크 신호를 검출할 수 있다. 예를 들어, 8번째 R-피크값의 검출 시에는 최근 5개에 해당되는 R3 내지 R7 피크값에 대한 평균의 30% 값을 8번째 R-피크값 검출을 위한 새로운 임계값으로 사용할 수 있다.

그런데, 앞서와 같은 검출 과정에서 그 사이에 검출되지 못한 R-피크 값이 존재할 수 있다. 따라서, 미검출된 R-피크 값을 검출하는 서치 백(Search back) 방법은 도 6를 참조한다. 도 6은 도 2에서 R-피크 값의 재검출을 위한 설명도이다.

즉, 제6 R-피크값(R6)과 제7 R-피크값(R7) 사이의 RRI인 제6 RRI가, 이전의 제5 RRI와 제4 RRI 중 작은 RRI(제5 RRI)의 140~150% 이상에 해당되는 경우, R6과 R7 사이에 미검출된 R-피크값이 있다고 판단하고, 상기 재검출부(170)에서는 상기 제6 RRI 이내에서 R-피크값을 재검출한다(S370).

이러한 S370 단계를 상세히 알아보면 다음과 같다. 우선, 상기 제6 R-피크값(R6)을 사용하여 제3임계값(THV3)을 설정한다. 이때, 제3임계값은 제6 R-피크값(R6)의 40% 값으로 설정할 수 있다. 이러한 40% 값은 T-wave 이외의 노이즈가 검출에 포함되지 않게 하기 위한 것이다.

이후, 상기 제3임계값(THV3)으로부터 제2시간범위(ex, 360ms) 이내에서 상기 제3임계값(THV3)보다 큰 피크 값이 존재하면, 이는 R-피크 값이 아닌 T-wave로 간주한 다음, 상기 제2시간범위 이후에 상기 제3임계값보다 작은 첫 번째의 끝점(E)으로부터 상기 제7 피크값(R7) 사이의 범위 내에서 상기 제3임계값(THV3)을 초과하는 피크값 중 가장 큰 피크값을 R-피크값(R)으로 추가적으로 검출한다. 즉, 제3임계값(THV3) 보다 큰 신호 값이 이전 R-피크 값에서 360ms 이상인 지점에 있는 경우에는 해당 범위(제7 피크값 미만) 내에서 가장 큰 신호 값을 R-피크 값으로 검출하는 것이다.

신호주기는 개인마다 다르며 심박급속증이나 PVC와 같은 질병들에 의해 일정한 간격이 유지되지 않는다. 상기의 과정은 최근 두 개의 RRI 중 작은 RRI의 150% 이내에 피크 값이 검출되지 않았을 경우 그 간격 내에서 피크 값을 새로이 검출하는 것이다. 이는 최근 RRI 간격과, 검출하지 못한 간격이 서맥과 PVC 등으로 인해 일반적인 경우보다 클 경우, 피크 값을 검출하지 못하는 경우가 발생하기 때문이다. 이러한 S370단계의 재검출 과정에 따르면, R-피크 값을 T-wave 혹은 P-wave로 인식하는 오류율을 줄일 수 있고 검출하지 못했던 R-피크 값을 검출함으로써 전체적인 검출 오류율을 줄일 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 적용한 실험 결과를 설명한다. 실험에서 이용된 장비는 Intel Pentium Dual CPU E2140(1.6GHz) RAM 2GB이고 windows XP에서 실행되었다. 본 발명의 실시예를 평가하기 위하여 MIT-BIH 데이터베이스를 이용하였고, MATLAB 7.10으로 프로그래밍하였다. MIT-BIH 데이터는 환자의 ECG신호를 약 30분 동안 측정하여 360Hz로 샘플링된 48개의 데이터로 구성되어 있다. 본 실험에서는 200Hz로 재샘플링하여 알고리즘에 적용하였다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 MIT-BIH 데이터 100을 SVD 필터로 전처리한 결과를 보여준다. 도 7 내의 세부 그래프는 가로축의 스케일이 각각 상이하므로 공통되는 부분인 동그라미 영역 부분을 참조하도록 한다.

도 7의 (a)는 ECG 원신호이고, (b)는 (a)에 SVD 필터를 적용하여 1차 노이즈를 제거한 결과이다. (c)는 Butterworth HPF를 통한 기저선 변동을 제거한 결과이고, (d)는 SVD필터를 통해 나온 신호에 대해 5-point 이동평균(Moving Everage)을 적용하여 나머지 노이즈를 제거하고 신호를 부드럽게 한 결과이며, (e)는 제곱과정을 통해 신호의 성분을 강조시킨 결과이다. SVD필터 시간을 측정하였을 때, 200Hz 샘플링 기준으로 1주기에서 2주기 정도가 포함된 256개의 데이터를 필터링하는 경우 약 3.5ms 소요되었다. (f)는 (e)의 데이터로부터 R-피크 값을 검출한 결과이다.

본 발명의 실시예에 따른 방법에 대한 신뢰성 평가는 sensitivity(SEN), positive predictivity(PRE), detection error(DE)가 사용되었다. sensitivity는 true비트 검출에 관한 알고리즘의 능력, positive predictivity는 true, flase비트를 구별하는 알고리즘의 능력, detection error는 알고리즘의 정확성을 나타낸다.

각 능력에 대한 계산식은 수학식 6을 사용한다.

여기서, TP는 올바르게 검출된 비트, FN은 검출하지 못한 비트, FP는 잘못 검출된 비트를 의미한다.

총 48개의 데이터를 테스트하였고, 모든 결과에 관한 정리는 표 1과 같다.

	Total beats	FP	FN	FP+FN	SEN(%)	PRE(%)	DE(%)
100	2273	0	0	0	100.00	100.00	0.00
101	1865	2	1	3	99.95	99.89	0.16
102	2187	0	0	0	100.00	100.00	0.00
103	2084	0	2	2	99.90	100.00	0.10
104	2229	8	38	46	98.30	99.64	2.06
105	2572	67	4	71	98.84	97.40	2.76
106	2027	13	3	16	99.85	99.36	0.79
107	2137	38	17	55	99.20	98.22	2.57
108	1774	42	7	49	99.61	97.63	2.76
109	2532	0	0	0	100.00	100.00	0.00
111	2124	0	2	2	99.91	100.00	0.09
112	2539	0	0	0	100.00	100.00	0.00
113	1795	0	0	0	100.00	100.00	0.00
114	1879	0	3	3	99.84	100.00	0.16
115	1953	0	0	0	100.00	100.00	0.00
116	2412	0	1	1	99.96	100.00	0.04
117	1535	0	0	0	100.00	100.00	0.00
118	2288	0	0	0	100.00	100.00	0.00
119	1987	0	0	0	100.00	100.00	0.00
121	1863	3	0	3	100.00	99.84	0.16
122	2476	0	0	0	100.00	100.00	0.00
123	1518	0	3	3	99.80	100.00	0.20
124	1619	0	3	3	99.81	100.00	0.19
200	2601	1	0	1	100.00	99.96	0.04
201	2000	45	14	59	99.30	97.75	2.95
202	2136	0	55	55	97.43	100.00	2.57
203	2980	179	100	279	96.64	93.99	9.36
205	2656	2	18	20	99.32	99.92	0.75
207	1848	11	7	18	99.62	99.40	0.97
208	2955	2	16	18	99.46	99.93	0.61
209	3005	0	7	7	99.77	100.00	0.23
210	2650	48	15	63	99.43	98.19	2.38
212	2748	0	0	0	100.00	100.00	0.00
213	3251	0	4	4	99.88	100.00	0.12
214	2262	1	7	8	99.69	99.96	0.35
215	3363	0	5	5	99.85	100.00	0.15
217	2208	54	5	59	99.77	97.55	2.67
219	2154	0	2	2	99.91	100.00	0.09
220	2047	0	0	0	100.00	100.00	0.00
221	2427	6	0	6	100.00	99.75	0.25
222	2483	0	4	4	99.84	100.00	0.16
223	2605	4	25	29	99.04	99.85	1.11
228	2053	47	29	76	98.59	97.71	3.70
230	2256	0	0	0	100.00	100.00	0.00
231	1573	0	2	2	99.87	100.00	0.13
232	1780	5	0	5	100.00	99.72	0.28
233	3079	0	6	6	99.81	100.00	0.19
234	2753	1	0	1	100.00	99.96	0.04
48 patients	109541	579	405	984	99.63	99.47	0.89

표 1을 참조하면, FN은 405개, FP는 579개, SEN = 99.63%, PRE = 99.47%, DE = 0.89%의 결과를 보였다. 이상과 같은 방법을 이용한다면, 많은 노이즈가 존재하는 데이터에서 신호의 질을 향상시켜서 R-피크 값을 효과적으로 검출할 수 있다.

결과적으로, 본 발명에 따르면, SVD 필터를 사용하여 원신호로부터 노이즈를 효과적으로 제거한 후, 기 설정된 시간범위 내에서 별도의 임계값을 사용하여 R-피크 값의 검출함으로써 검출 효율을 높일 수 있다. 또한, 별도의 재검출(Search Back) 과정을 거침에 따라 이전에 미검출된 R-피크 값을 재차적으로 신뢰성 있게 검출할 수 있어서 검출 오류율을 전반적으로 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: R-피크 검출 장치 110: 전처리부
120: 제1임계값 설정부 130: 검출범위 설정부
140: 제1검출부 150: 제2임계값 설정부
160: 제2검출부 170: 재검출부

Claims

ECG 신호를 전처리하는 단계;
상기 ECG 신호에서 제1시간범위 이내의 신호 중 가장 큰 피크 값을 사용하여 제1임계값을 설정하는 단계;
상기 제1임계값을 사용하여 R-피크 값의 검출 범위를 설정하는 단계;
상기 검출 범위 내에서 상위 피크값에 해당되는 제1 내지 제N의 R-피크 값을 검출하는 단계;
상기 R-피크 값 중 최근 N-1개의 R-피크 값의 평균을 사용하여 제2임계값을 설정하는 단계; 및
상기 제2임계값을 사용하여 제N+1의 R-피크값을 검출하는 단계를 포함하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 ECG 신호를 전처리하는 단계에서,
상기 ECG 신호는 16×16 형태의 A 행렬로서, A=UΣV^T이고, U는 좌 특이행렬, V는 우 특이행렬, Σ는 대각행렬이며, SVD(Singular Value Decomposition) 필터를 사용하여 상기 ECG 신호로부터 노이즈를 제거하며,
상기 SVD 필터는 아래의 수학식으로 정의되는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법:

여기서, α_i는 상기 A 행렬에서 i번째 열의 대각행렬 성분 값을 의미한다.
청구항 1에 있어서,
상기 제1임계값을 사용하여 R-피크 값의 검출 범위를 설정하는 단계는,
상기 제1시간범위 이내의 신호 중 상기 제1임계값보다 큰 첫 번째 ECG값을 시작점으로 설정하는 단계;
상기 시작점으로부터 상기 제1임계값보다 작은 첫 번째 ECG값을 끝점으로 설정하는 단계; 및
상기 끝점으로부터 제2시간범위 이내에 상기 제1임계값보다 큰 ECG값이 존재할 경우, 상기 제1임계값보다 큰 ECG값으로부터 상기 제1임계값보다 작은 첫 번째 ECG값을 새로운 끝점으로 설정하여 상기 끝점을 갱신하는 단계를 포함하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 제1임계값은 상기 제1시간범위 이내의 신호 중 가장 큰 피크 값의 25~35% 값이고,
상기 제1시간범위는 1500ms 이내이고,
상기 제2시간범위는 360ms 이내인 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제2임계값을 설정하는 단계는,
상기 최근 N-1개의 R-피크 값의 평균에 대한 25~35% 값을 상기 제2임계값으로 설정하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법.
청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
상기 제N+1의 R-피크값을 검출하는 단계는,
상기 제N의 R-피크값 이후 상기 제2임계값을 초과하는 피크값을 상기 제N+1의 R-피크값으로 검출하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제N 및 제N+1의 R-피크값 사이의 시간 간격인 제N RRI가, 이전의 제N-1 RRI와 제N-2 RRI 중 작은 RRI의 140~150% 이상이면, 상기 제N RRI 이내에서 R-피크값을 재검출하는 단계를 더 포함하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 R-피크값을 재검출하는 단계는,
상기 제N의 R-피크값을 사용하여 제3임계값을 설정하는 단계; 및
상기 제3임계값으로부터 제2시간범위 이내에서 상기 제3임계값보다 큰 피크 값이 존재하면, 상기 제2시간범위 이후 상기 제3임계값보다 작은 첫 번째의 끝점으로부터 상기 제N+1 피크값 사이의 범위 내에서 상기 제3임계값을 초과하는 피크값 중 가장 큰 피크값을 R-피크값으로 추가로 검출하는 단계를 포함하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 방법.
ECG 신호를 전처리하는 전처리부;
상기 ECG 신호에서 제1시간범위 이내의 신호 중 가장 큰 피크 값을 사용하여 제1임계값을 설정하는 제1임계값 설정부;
상기 제1임계값을 사용하여 R-피크 값의 검출 범위를 설정하는 검출범위 설정부;
상기 검출 범위 내에서 상위 피크값에 해당되는 제1 내지 제N의 R-피크 값을 검출하는 제1검출부;
상기 R-피크 값 중 최근 N-1개의 R-피크 값의 평균을 사용하여 제2임계값을 설정하는 제2임계값 설정부; 및
상기 제2임계값을 사용하여 제N+1의 R-피크값을 검출하는 제2검출부를 포함하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 전처리부는 SVD(Singular Value Decomposition) 필터를 사용하여 상기 ECG 신호로부터 노이즈를 제거하며,
상기 ECG 신호는 16×16 형태의 A 행렬로서, A=UΣV^T이고, U는 좌 특이행렬, V는 우 특이행렬, Σ는 대각행렬이며,
상기 SVD 필터는 아래의 수학식으로 정의되는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 장치:

여기서, α_i는 상기 A 행렬에서 i번째 열의 대각행렬 성분 값을 의미한다.
청구항 9에 있어서,
상기 검출범위 설정부는,
상기 제1시간범위 이내의 신호 중 상기 제1임계값보다 큰 첫 번째 ECG값을 시작점으로 설정하고,
상기 시작점으로부터 상기 제1임계값보다 작은 첫 번째 ECG값을 끝점으로 설정하되,
상기 끝점으로부터 제2시간범위 이내에 상기 제1임계값보다 큰 ECG값이 존재할 경우, 상기 제1임계값보다 큰 ECG값으로부터 상기 제1임계값보다 작은 첫 번째 ECG값을 새로운 끝점으로 설정하여 상기 끝점을 갱신하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 제2검출부는,
상기 제N의 R-피크값 이후 상기 제2임계값을 초과하는 피크값을 상기 제N+1의 R-피크값으로 검출하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 제N 및 제N+1의 R-피크값 사이의 시간 간격인 제N RRI가, 이전의 제N-1 RRI와 제N-2 RRI 중 작은 RRI의 140~150% 이상이면, 상기 제N RRI 이내에서 R-피크값을 재검출하는 재검출부를 더 포함하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 장치.
청구항 13에 있어서,
상기 재검출부는,
상기 제N의 R-피크값을 사용하여 제3임계값을 설정하고,
상기 제3임계값으로부터 제2시간범위 이내에서 상기 제3임계값보다 큰 피크 값이 존재하면, 상기 제2시간범위 이후 상기 제3임계값보다 작은 첫 번째의 끝점으로부터 상기 제N+1 피크값 사이의 범위 내에서 상기 제3임계값을 초과하는 피크값 중 가장 큰 피크값을 R-피크값으로 추가로 검출하는 ECG 신호에서의 R-피크 검출 장치.