KR20120133793A - 특징점 추출을 통한 심실부정맥 검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 R파 검출의 정확도를 향상시킴으로써 RR 간격, QRS 폭과 같은 특징점을 정확히 추출하여 실시간으로 진행되는 심실 부정맥 판단의 신뢰도를 높일 수 있는 심실부정맥 검출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이에 따라, 본 발명은 심실부정맥을 검출하는 방법에 있어서, 심전도(ECG) 신호로부터 잡음을 제거하고 상기 심전도 신호의 신호대 잡음비를 강조하는 전처리단계; 상기 전처리단계에서 신호대 잡음비가 강조된 상기 심전도 신호에서 판별대상 R파의 검출을 위해, 시간적으로 가장 최근에 검출된 4~8개 R파의 평균 진폭의 30~35%를 적응가변형 문턱값으로 설정하고 입력되는 상기 심전도 신호에서 상기 적응가변형 문턱값을 초과하는 진폭을 가진 신호를 판별대상 R파로서 검출하는 R파검출단계; 검출된 상기 판별대상 R파를 기준으로 설정된 범위 내에서 역방향인 후방으로 탐색한 최소점을 Q파로 검출하고 전방으로 탐색한 최소점을 S파로 검출하여 QRS 폭을 추출하고, 판별대상 R파와 직전에 검출된 R파와의 간격으로부터 RR 간격을 추출하는 특징점추출단계; 및 추출된 상기 QRS 폭과 RR 간격을 이용하여 심실부정맥을 판별하는 심실부정맥판별단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

특징점 추출을 통한 심실부정맥 검출방법{Method to detect Ventricular Arrhythmia through feature points extraction}

본 발명은 특징점 추출을 통한 심실 부정맥 검출 방법에 관한 것으로, 적응가변형 문턱값을 이용하여 보다 정확하고 용이하게 R파 및 특징점을 추출함으로써 심실부정맥 판단이 신속히 진행되도록 하고 그 판단의 신뢰도를 높일 수 있도록 하는 심실 부정맥 검출방법에 관한 것이다.

심장질환 중에서 심실조기수축(PVC)는 부정맥 중 가장 흔하게 발생하고, 건강한 사람에게서도 볼 수 있는 부정맥이지만, 심장질환이 있는 환자에게 PVC가 발생하면 심실빈맥으로 전이될 수 있다. 심실빈맥이란 심실 내에서 만들어진 자극에 의해 심실의 탈분극이 분당 100회 이상의 빠르기로 3개 이상 연속으로 나타나는 것을 말한다.

심실빈맥은 지속기간에 따라 여러 가지로 분류된다. 만약 3개 또는 그 이상의 PVC가 연속적으로 발생하여 심실빈맥이 진행될 때 그 지속시간이 30초를 넘기지 않고 스스로 종료될 경우, 이를 발작성 심실빈맥　또는 비지속성 심실빈맥이라고 한다. 반면에 빈맥이 30초 이상 지속되면 이를 지속성 심실빈맥이라고 한다. 일반적으로 심실빈맥이 발생하면, 심실세동으로 전이되는 경우가 많으며, 심정지를 유발할 수도 있다.

따라서 심실조기수축과 심실빈맥과 같은 심실 부정맥의 검출은 조기에 심장질환에 대한 예방과 추후 발생여부에 대한 예방책의 기초 조사로서 매우 중요하다.

심전도 파형은 일반적으로 P, QRS, T파로 구분되고, 이들 파형 중 QRS 성분(complex)은 심장박동이 건강한 리듬 비트인지 아니면 부정맥으로 인한 비정상 리듬 비트인지를 결정하고 해석하는데 가장 중요하게 쓰이는 부분이다.

심전도의 심장박동분류를 위한 심전도 파형 특징점 추출방법에는 심전도의 형태학적 특징추출, 심장박동 간격의 특징추출, 그리고 주파수 관련 특징추출 등 여러 가지가 있다. 여기서, 전형적인 심전도 특징점 추출방법은 기본적으로 P, QRS, T파의 진폭과 위치정보 그리고 심장박동간격 등을 추출하여 특징점으로 활용한다. 그러한 방법은 특징점을 추출함에 있어 P, QRS, T파가 정상적으로 검출되었을 때에는 가능하지만, 잡음 등의 영향으로 특징점 추출에 문제가 있는 경우에는 정확한 분류에 악영향을 끼치게 된다.

상기와 같은 문제점을 극복하기 위해서는 잡음의 영향을 극복할 수 있는 특징점 및 진단 파라미터를 추출해야 하며, 최적화된 R파를 검출하는 것이 필요하다. 이는 대부분의 검출 알고리즘이 그러하듯이, 심전도(ECG) 파형 중에서 가장 두드러진 특징점이 R파이므로 잡음의 영향이 큰 환경에서는 나머지 특징점(P, Q, S, T파)의 검출이 어려울 수밖에 없다. 따라서 진폭이 가장 두드러진 R파의 검출 후 그 기준점을 토대로 나머지 특징점을 찾는 방법이 일반적인 검출 방법이다.

본 발명은 상기와 같은 관점에서, R파 검출의 정확도를 향상시킴으로써 RR 간격, QRS 폭과 같은 특징점을 정확히 추출하여 실시간으로 진행되는 심실 부정맥 판단의 신뢰도를 높일 수 있는 심실부정맥 검출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이에 따라, 본 발명은 심전도(ECG) 신호를 입력받아 심실부정맥을 판별하는 장치의 심실부정맥 검출방법에 있어서, 심전도 신호로부터 잡음을 제거하고 상기 심전도 신호의 신호대 잡음비를 강조하는 전처리단계; 상기 전처리단계에서 신호대 잡음비가 강조된 상기 심전도 신호에서 판별대상 R파의 검출을 위해, 시간적으로 가장 최근에 검출된 4~8개 R파의 평균 진폭의 30~35%를 적응가변형 문턱값으로 설정하고, 입력되는 상기 심전도 신호에서 상기 적응가변형 문턱값을 초과하는 진폭을 가진 신호를 판별대상 R파로서 검출하는 R파검출단계; 검출된 상기 판별대상 R파를 기준으로 설정된 범위 내에서 역방향인 후방으로 탐색한 최소점을 Q파로 검출하고 전방으로 탐색한 최소점을 S파로 검출하여 QRS 폭을 추출하고, 판별대상 R파와 직전에 검출된 R파와의 간격으로부터 RR 간격을 추출하는 특징점추출단계; 및 추출된 상기 QRS 폭과 RR 간격을 이용하여 심실부정맥을 판별하는 심실부정맥판별단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 심실부정맥 검출방법은, 심전도의 특징량에 나타나는 변화를 의사 등이 조기에 파악함으로써, 병상의 진행을 예방하기 위해 환자의 주의, 상세한 검사의 필요성 판단, 치료의 필요성 판단 등을 조기에 행할 수 있다.

또한, 본 발명은 특징점을 추출하는 기준이 되는 R파를 검출하기 위하여 그 R파 직전에 검출된 4~8개의 R파를 이용한 적응가변형 문턱치를 이용함으로써, 항상 최근의 문턱치를 사용하여 기준이 되는 R파를 검출하게 된다. 이에 따라, 심전도 신호값이 전체적으로 점차 상향으로 높아지거나 또는 점차 하향으로 낮아지는 패턴을 나타내는 경우에도 최근의 문턱치를 사용함으로써 기준이 되는 R파 검출의 정확도를 기할 수 있다. 만일, 초기 검출된 문턱치를 계속적으로 사용할 경우, 심전도 신호의 출력값이 전체적으로 서서히 상향 또는 하향되는 변화패턴을 나타낸다면, 초기 검출된 문턱치가 적합하지 않으므로 R파 검출이 부정확하게 될 것이다.

또한, 심전도 신호 측정 시 다양한 잡음으로 인해 특징점 검출을 정확하게 행할 수 없을 경우 진단 결과가 영향을 받을 수 있지만, 본 발명은 전처리단계를 통해 잡음의 영향을 크게 감소시키고 효율적인 전처리과정을 실시하고 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 특징점 추출을 통한 심실 부정맥 분류 방법의 전체 구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전처리 과정의 순서도
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 전처리된 신호로부터 특징점을 검출하여 심실부정맥을 검출하는 순서도
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 심전도(ECG) 신호에 적용되는 예를 도시하는 설명도
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 R파를 기준으로 Q파와 S파를 검출하는 과정을 도시하는 설명도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 심실부정맥 판별기준
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 심실부정맥을 검출하기 위한 검출장치의 개략적인 블록도
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 MIT-BIH 부정맥 데이터베이스에 대하여 실시한 검출결과

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라, 심전도(ECG) 신호를 입력받아 심실부정맥을 판별하는 장치 내에서 이루어지는 심실부정맥 검출 방법의 전체적인 구성을 도시하고 있다.

본 발명의 실시예에 따른 특징점 추출을 통한 심실부정맥 검출 방법은, 심전도(ECG) 신호로부터 잡음을 제거하고 상기 심전도 신호의 신호대 잡음비를 강조하는 전처리단계(S1단계)와, 상기 전처리단계로부터 판별대상 R파를 검출하는 R파검출단계(S2단계)와, 검출된 상기 판별대상 R파를 기준으로 QRS 폭 및 RR 간격을 추출하는 특징점추출단계(S3단계)와, 추출된 상기 QRS 폭과 RR 간격을 이용하여 심실부정맥을 판별하는 심실부정맥판별단계(S4단계)를 포함한다.

먼저, 심전도(ECG) 신호로부터 잡음을 제거하고 상기 심전도 신호의 신호대 잡음비를 강조하는 전처리단계를 설명한다.

심전도 신호에 포함된 잡음은 60HZ 전력선 잡음, 호흡에 의한 기저선 변동, 환자의 움직임에 의한 근잡음으로 크게 구분할 수 있다. 특히 근잡음의 경우 전주파수 대역에 걸쳐 넓게 분포하고 있다. 대부분의 심전도 신호는 0.05~100Hz에 포함되어 있어서 전력선 잡음은 실제로 신호 해석시 진폭이 작은 Q와 P파에 영향을 주어 부정맥과 심근경색 등의 검출 오류를 발생시킨다. 따라서 정확한 진단을 위해서는 ECG 신호에 포함되어 있는 다양한 잡음을 제거하여 신호의 질을 좋게 하는 전처리 과정이 매우 중요하다. 이에, 심전도 신호를 처리하는 다양한 전처리방법이 이미 알려진 바 있다.

도 2는 심전도 신호로부터 잡음제거를 위한 본 실시예의 전처리 과정을 보다 상세히 도시하고 있다.

도 2를 참고하면, 먼저 차단주파수가 20Hz인 저역통과필터와, 5Hz인 고역통과 필터를 통하여 잡음을 제거한다(S11단계 및 S12단계). 이후, 기저선 변화의 안정화와 R파를 강조하기 위하여 4차 FIR 필터(finite impulse response filter)를 이용한 미분법을 사용하였다(S13단계).

FIR 필터를 이용한 미분법은 심전도 신호의 R파 검출을 위한 첫 번째 단계로서 P와 T파의 저주파수 성분을 제거하고 R파의 고주파 성분을 통과시키는 고역통과 필터를 나타낸다. 이 방법은 저역통과 필터를 거진 심전도 신호에서 R파의 기울기를 강조하고 기저선 변동의 안정화를 위해서 4차인 FIR 필터를 사용하였다. 이 때, 사용된 필터의 차분방정식은 아래와 같다.

한편, 상기 미분법에 의해 처리된 심전도신호는 R파를 강조하기 위하여 절대치를 취하게 된다.(S14단계)

미분된 심전도 신호의 각 샘플값에 절대치를 취하면 미분으로 인하여 발생된 음의 성분을 양의 성분으로 변환하여 고주파 성분을 부각시키고, R파의 오검출을 방지하도록 심전도의 R파를 강조할 수 있다. 상기 절대치 과정(S14단계)은 신호대 잡음비를 향상시키며, 기울기 변환점을 영점으로 교차시킬 수 있다. 즉, 미분된 심전도 신호는 많은 수의 양의 극점과 음의 극점이 존재하므로 R파 검출에 어려움이 있다. 따라서 신호의 절대치를 이용하여 음의 극점을 양의 극점으로 변화시켜 검출과정을 간략화 한다.

절대치를 취한 후의 심전도 신호는

절대치를 통해 QRS 성분이 강조된 출력파형은 이동평균필터 과정을 거치게 된다(S15단계). 이는 출력파형에 평균을 수행함으로써 R파를 효율적으로 검출하도록 하기 위한 것이다. 즉, 평균 수행전의 심전도(ECG) 신호는 파형의 잡음이 많이 포함되어 있으므로 R파를 검출하는데 어려움을 주게 되나, 이동평균을 수행하게 되면 잡음구간은 평활화(smoothing)되고, R파 구간은 더욱 강조된다.

이때 심실부정맥과 같은 비정상적인 R파를 고려하여 충분히 긴 윈도우 폭을 결정해야 한다. 하지만 윈도우 폭을 결정할 때 그 간격이 너무 넓으면 R파와 T파가 중첩되는 현상이 발생하므로 적당한 크기의 윈도우 폭을 결정해야 한다. 상기에서 “윈도우 폭”은 샘플링 간격을 의미한다. 예를 들어 샘플링률이 200Hz라면 하나의 샘플링 간격은 5ms이며, 윈도우 폭이 16개라는 것은 80ms를 윈도우 폭으로 사용한다는 의미이다. 이는 R파를 검출하는데 있어 최적의 성능을 만족하는 이동평균 간격이 80ms이기 때문이다.

본 발명에서는 윈도우 폭을 16개의 샘플값으로 결정하여 위상지연을 최소화하였다. 그 과정은 아래와 같다.

여기서, 이동평균값 y[n]은, 신호 s[n]에서의 각 샘플값 s[n-8]부터 s[n+1]...........s[n+8]까지 16개의 신호를 더해서 평균한다는 의미이고, k는 정수이다.

한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 특징점을 검출하여 심실부정맥을 검출하는 알고리즘에 관한 것이다.

상기에서 전처리 과정을 거친 신호는 신호대 잡음비의 증가로 R파 검출이 용이하다. 이러한 전처리된 신호의 진폭변화에 따른 문턱값을 적응가변형 문턱값으로 사용하였고, R파를 기준으로 전후방 진행에 따라 Q파와 S파가 검출된다. “적응가변형 문턱값”은 문턱값이 상황에 따라 변화된다는 의미이다.

도 3을 참조하면, 먼저 초기 문턱값을 설정하기 위하여 초기 R파를 추출한다(S21단계). 초기 R파는 심전도(ECG) 신호의 샘플값 중 1.2s[sec]내의 최대값으로 결정한다. 예컨대, 심전도(ECG) 신호가 입력되기 시작하는 시점부터 1.2sec 이내의 범위에서 최대 진폭을 가지는 신호를 초기 R파로 추출한다. 일반적으로 정상 심전도 신호의 주기는 0.8s ~ 1.2s이기 때문에 R파가 검출될 수 있는 범위는 최대 정상 심전도 주기인 1.2s로 정한 것이다. 상기 1.2s 내에서 2개의 R파가 존재하더라도 최대값을 초기 R파로 검출하는 것이다.

이후 검출된 초기 R파 진폭값의 30~35%, 가장 바람직하게는 30%를 초기 문턱값으로 설정하여(S22단계) 초기 문턱값을 초과하는 6개의 R파를 검출한다(S23단계). 도 4를 참고하면 초기 R파를 R1으로 했을 때, 초기 문턱값이 h0로 표기되어 있고, 초기 문턱값 h0를 초과하는 6개의 R파가 R2 내지 R7으로 예시되어 있다.

상기에서 검출되는 6개의 R파의 개수는 4~8개 범위 내에서 가변될 수 있다.

P파나 T파의 경우 R파 진폭값의 최대 30%를 초과하지 않으므로, R파 진폭값의 30%는 다음 R파를 검출함에 있어 P파나 T파를 R파로 오인하지 않기 위한 최적의 문턱값이다. 상기 문턱값은 30~35% 범위 내에서 변경될 수 있다.

다음은 상기에서 검출된 6개의 R파에서 진폭의 평균값을 계산하고, 계산된 값의 30%를 다음 번 검출 문턱값 즉, 적응가변형 문턱값으로 설정한다(S24단계).

본 발명에서의 적응가변형 문턱값은 매 심전도(ECG) 신호의 파형에 따라 상기 과정을 반복함으로써 입력되어 들어오는 신호에 따라 자동적으로 변화된다. 즉, 현재의 신호가 입력되는 시점을 기준으로 시간적으로 최근에 검출된 6개의 R파를 이용하여 적응가변형 문턱값을 계속 갱신하게 된다. 참고로, 도 4에서 h1은 R8을 판별대상 R파로 검출하는 적응가변형 문턱값으로 표시된 것이고, h2는 R9를 판별대상 R파로 검출하는 적응가변형 문턱값으로 표기된 것이다. 여기서, h1은 R2 ~ R7의 평균값의 30%값이고, h2는 R3 ~ R8의 평균값의 30%값이다.

상기 적응가변형 문턱값이 설정되면, 윈도우 구간을 설정하고(S25단계), 윈도우 구간 내에서 입력된 신호가 적응가변형 문턱값을 초과할 때 최고점을 검출하여 판별대상 R파로 결정한다(S26단계).

상기 윈도우 구간은 상기 6개의 R파로부터 적응가변형 문턱값이 설정된 직후에 직전 R파 검출위치부터 소정의 간격을 가지는 탐색영역을 의미하는 것이다. 도 4를 참고하면, 6개의 R파는 R2~R7 이고, 윈도우 구간은 W로 예시되어 있다.

윈도우 구간을 구하기 위해서는, 먼저 전술한 6개의 초기 R파를 이용하여 5개의 RR 간격을 구한다. 상기 5개의 RR 간격은 도 4에서 RR3 내지 RR7으로 예시되어 있다.

이후, 상기 5개의 RR 간격을 평균하여 RR 간격의 평균값을 구하고, 그 평균값의 45~55%를 윈도우 구간으로 설정한다(S25단계). 가장 바람직하게는 상기 평균값의 50%를 윈도우 구간(W)으로 설정한다.

상기와 같이 윈도우 구간이 설정된 후에는, 직전에 검출된 R파에서부터 시작하는 윈도우 구간 내에서 적응가변형 문턱값보다 높은 파형이 발생된 경우 최고점을 검출하고, 윈도우 구간진행 중 적응가변형 문턱값보다 낮은 진폭이 발생된 경우에는 높은 진폭값이 나타날 때까지 윈도우 구간을 계속 확장하여 검출한다. 즉, 상기에서 윈도우 구간을 RR 간격의 평균값의 50%로 하여 먼저 그 구간 내의 최고점을 검출하고, 문턱값보다 높은 진폭(R파)이 검출되지 않으면, 높은 진폭값이 나타날 때까지 윈도우 구간을 차츰 확장하여 문턱값보다 높은 진폭값을 검출함으로써 판별대상 R파를 검출한다(S26단계)

여기서 고려해야 할 사항으로, 윈도우 구간 내에서 진폭크기가 서로 다른 두 개의 파형이 적응가변형 문턱값을 초과할 경우, 그 중 큰 진폭을 가진 한 개의 파형만 검출한다. 이는 RR 간격의 평균값의 45~55%인 윈도우 구간 내에서는 2개의 R파가 발생하지 않으므로 나머지 하나는 R파가 아니기 때문이다.

한편, 판별대상 R파가 검출된 후, 그 값을 기준으로 Q와 S파를 검출한다(S27단계).

Q파는 R파를 기준으로 후방으로 단계적으로 영역을 넓혀 가면서 Q파의 최소점을 찾는다. 즉, 도 5에서 도시하는 바와 같이, 판별대상 R파를 기준으로 좌측 검색구간에서 최소점에 해당하는 신호를 Q파, 우측 검색구간에서 최소점에 해당하는 신호를 S파로 정의된다. 따라서 시간적으로 다음의 Q파를 검출하는 것이 아니라, R파가 검출된 지점을 기준으로 역탐색을 시작함으로써 Q파를 검출한다는 의미이다.

Q파의 검출구간은 160ms로 설정하고, 그 구간은 적어도 R파의 절반과 Q파의 시작부분을 포함한다. 즉, 일반적인 PR 간격이 120ms~200ms이므로 160ms로 설정하면 이 구간은 적어도 R파의 절반과 Q파의 시작부분을 포함할 수 있다. S파의 검출 과정도 상기 Q파의 검출과정과 동일하다. 상기 검출구간은 160±10ms의 범위 내에서 가변될 수 있다.

이상의 과정을 통해 R파, Q파, S파의 검출이 완료된다.

한편, R파, Q파, S파의 검출이 완료된 후, 심실 부정맥을 판단하기 위한 변수 즉, QRS 폭과 RR 간격를 추출한다(S3단계)

상기 RR 간격은 R파와 R파의 시간간격으로 결정되는 것으로, 이후 설명할 판별기준이 적용될 수 있도록 현 시점으로부터 최근에 검출된 12개 이상의 RR 간격은 계속 메모리에 저장되어 있도록 한다.

상기 QRS 폭은 Q파와 S파의 시간간격으로 결정되는 것으로, 본 명세서에서 QRS폭은 전술한 방법으로 검출된 Q파와 S파의 시간간격을 의미하고 있다.

이후, QRS 폭과 RR 간격을 심실부정맥 판별기준에 따라 심실부정맥을 판단하고(S41단계), 그 판단결과를 디스플레이 또는 음향장치에 의해 표시한다(S42단계). 참고로, 후술하게 될 심실부정맥의 판단기준(도6)은 8개 이상의 RR간격이 축적된 이후 판단이 이루어지도록 기준이 제시되어 있다.

이상에서 설명된 알고리즘은 입력되는 심전도 신호의 R파에 대하여 계속적으로 최근 6개 R파를 추출하여 적응가변형 문턱값을 갱신하고, 현 판단기준인 R파를 기준으로 QRS 폭과 RR 간격을 구하는 과정이 지속적으로 반복되고 있다.

한편, 도 6은 발명의 실시예에 따른 심실부정맥 판별기준을 도시한 것이다.

일반적으로 심실조기수축 바로 이전의 정상 QRS파와 심실조기수축의 RR간격은 좁아지게 되고, 심실조기수축 이후의 RR간격은 넓어지게 된다. 조기심실수축이 한 개의 정상수축과 짝을 이루어 교대로 나타날 때의 현상을 이단맥(bigeminy)이라고 하고, 2개의 정상수축과 짝을 이루어 교대로 나타날 때 삼단맥(tirgeminy)이라고 부른다. 또한 심실빈맥을 진단하는 기준은 심박동수가 100~120bmp(beat per minute) 기준을 가진다. 따라서 정상 박동과 심실 부정맥 박동의 RR 간격은 정상 박동 사이의 RR 간격에 비하여 많은 차이를 나타내기 때문에 이 RR 간격의 차이점을 이용하여 심실 부정맥을 검출할 수 있다. 심실 부정맥의 검출은 QRS 폭과, RR 간격의 리듬 형태에 의해 특성화된다.

앞에서 획득된 QRS 폭과 RR 간격을 통해 최종적으로 심실 부정맥의 평가기준은 도 6과 같이 제시될 수 있다. 여기서 RRt-1, RRt, RRt+1은 각각 이전시점, 현재 시점, 이후 시점의 RR 간격을 의미한다.

도 6에 대하여 설명하면, RRt는 현재의 RR간격, RRt-1은 현재의 RR간격으로부터 1번째 이전의 RR간격, RRt-2,RRt-3,RRt-4는 각각 현재의 RR간격으로부터 2, 3, 4번째 이전의 RR간격이다. 또한, ARt-1은 현재 RR간격으로부터 1번째 이전에서부터 8번째 이전까지 8개 RR간격들의 평균간격이다. 예를 들어, ARt-1이라 하면, RRt-1에서 RRt-8까지의 평균 RR간격을 말하는 것이다. 마찬가지로, ARt-3은 현재 RR간격으로부터 3번째 이전에서부터 10번째 이전까지 8개 RR간격들의 평균간격이다.

판별기준에서 QRS폭이 110을 기준으로 판단하는 이유는 QRS폭이 90~110사이일 경우 정상, 110이상일 경우 심실조기수축이라고 의학적으로 판단하기 때문이다.

또한, 심실빈맥으로 진단하는 기준이 일반적으로 100~120bpm이기 때문에 심실빈맥의 판단기준에서 0.5초가 기준으로 제시되고 있다.

본 발명은 심실부정맥의 판단을 위해 적응가변형 문턱치를 이용하여 R파를 추출하고 있다. 이에 따라, 입력되는 심전도(ECG) 신호의 현재 패턴변화에 적응하여 R파를 검출하게 되므로, 고정형 문턱치를 사용하는 것에 비해 R파검출의 정확도를 매우 향상시킬 수 있다.

도 7은 전술한 심실부정맥 검출방법을 활용하여 심실부정맥을 검출하기 위한 검출장치(20)의 개략적인 블록도를 도시하고 있다.

심실부정맥 검출장치(20)는 심전도(ECG) 신호로부터 심실부정맥을 판별하는 판단부(21)과, 상기 판단부에서 판별한 결과를 표시하는 표시부(22)를 포함한다.

상기 판단부(21)는 전술하고 있는 검출방법이 실행되는 프로그램에 의해 심실부정맥을 판별한 후 그 판별한 결과신호를 표시부(22)에 전송하고 있으며, 표시부(22)는 통상의 모니터장치 또는 부저와 같은 음향장치로 구성되어 상기 판별신호에 대응하는 신호를 표시하고 있다.

다음은 본 발명의 평가결과에 대하여 살펴본다.

본 발명의 알고리즘을 구현하기 위하여, 초기 문턱값은 전처리된 심전도(ECG) 신호의 샘플값 중 초기 600ms내의 최대값을 초기 R파로 결정하고, 검출된 초기 R파 진폭의 30%를 초기 문턱값으로 사용하였다. 또한, 적응가변형 문턱값을 결정하기 위한 R파의 개수는 6개로 하였고, 그 6개 R파의 평균 진폭의 30%를 적응가변형 문턱값으로 하였다. 또한, Q파 및 S파의 검출을 위하여 설정되는 탐색범위는 R파를 기준으로 각각 후방과 전방으로 160ms로 하였다.

본 발명의 알고리즘을 평가하기 위해서 MIT-BIH 부정맥 데이터베이스가 이용되었다. 단, 본 발명에서는 ECG 신호의 R파 검출을 위해서 MLⅡ(modified lead Ⅱ)리드 신호만 사용하였으며, PVC 이외의 다른 부정맥은 검출대상에서 제외하였다.

아래의 수식을 이용하여 R파와 PVC 검출률을 계산하였고, MIT-BIH 부정맥 데이터베이스에 대한 검출결과는 도 8에 표로서 도시되어 있다.

여기서, FP ( False Positive )는 검출하지 않아야 함에도 오인하여 검출한 경우이고, FN(False Negative )는 검출해야 함에도 오인하여 검출하지 못한 경우이다.

R 피크 검출(QRS detection)에 대한 성능평가를 위해 알고리즘을 수행시킨 결과 R파를 평균 99.5% 검출하고 있다. 이는 기 개발된 종래 검출방법들이 98.4 ~ 98.8 정도의 정확도를 나타내고 있음을 고려할 때, 본 발명에 따른 방법이 R파를 검출함에 있어서 매우 효과적인 방법임을 평가결과를 통해 확인할 수 있다. R파 검출의 정확도는 부정맥 판단의 정확도를 결정하는 가장 중요한 요건이므로, 부정맥 판단의 정확도를 함께 향상시킨다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 상기의 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에 있는 일 실시예에 불과하며, 동업계의 통상의 기술자에 있어서는, 본 발명의 기술적인 사상 내에서 다른 변형된 실시가 가능함은 물론이다.

10; 심전도계(ECG신호)
20; 심실부정맥 검출장치
21; 판단부
22; 표시부

Claims (7)

1. 심전도(ECG) 신호를 입력받아 심실부정맥을 판별하는 장치의 심실부정맥 검출방법에 있어서,
   심전도 신호로부터 잡음을 제거하고 상기 심전도 신호의 신호대 잡음비를 강조하는 전처리단계;
   상기 전처리단계에서 신호대 잡음비가 강조된 상기 심전도 신호에서 판별대상 R파의 검출을 위해, 시간적으로 가장 최근에 검출된 4~8개 R파의 평균 진폭의 30~35%를 적응가변형 문턱값으로 설정하고, 입력되는 상기 심전도 신호에서 상기 적응가변형 문턱값을 초과하는 진폭을 가진 신호를 판별대상 R파로서 검출하는 R파검출단계;
   검출된 상기 판별대상 R파를 기준으로 설정된 범위 내에서 역방향인 후방으로 탐색한 최소점을 Q파로 검출하고 전방으로 탐색한 최소점을 S파로 검출하여 QRS 폭을 추출하고, 판별대상 R파와 직전에 검출된 R파와의 간격으로부터 RR 간격을 추출하는 특징점추출단계; 및
   추출된 상기 QRS 폭과 RR 간격을 이용하여 심실부정맥을 판별하는 심실부정맥판별단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 심실부정맥 검출방법
2. 제1항에 있어서,
   상기 적응가변형 문턱값을 설정하기 위한 상기 R파의 개수는 6개이고,
   상기 6개의 평균 진폭의 30%를 적응가변형 문턱값로 하는 것을 특징으로 하는 심실부정맥 검출방법
3. 제1항에 있어서,
   상기 전처리단계는
   상기 심전도 신호의 신호대 잡음비를 강조하기 위하여 상기 심전도 신호가 4차인 FIR 필터를 통과하고, 상기 FIR 필터를 통과한 후 절대치를 취하며, 상기 절대치를 취한 신호가 이동평균필터를 거치는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 심실부정맥 검출방법
4. 제1항에 있어서,
   상기 R파검출단계에서 판별대상 R파를 검출하기 위해,
   상기 4~8개 R파로부터 산출되는 모든 RR간격을 평균한 평균 RR간격의 45~55%를 윈도우 구간으로 설정하고,
   직전에 검출된 R파에서부터 시작하는 상기 윈도우 구간 내에서 상기 적응가변형 문턱값을 초과하는 진폭신호를 상기 판별대상 R파로 검출하며,
   상기 윈도우 구간 내에서 상기 적응가변형 문턱값을 초과하는 진폭신호가 존재하지 않을 경우, 상기 윈도우 구간을 차츰 확장하여 상기 적응가변형 문턱값을 넘는 진폭신호를 상기 판별대상 R파로서 검출하는 것을 특징으로 하는 심실부정맥 검출방법
5. 제4항에 있어서,
   상기 윈도우 구간은 상기 평균 RR간격의 50% 간격으로 설정되는 것을 특징으로 하는 심실부정맥 검출방법
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 R파검출단계는,
   신호대 잡음비가 강조된 상기 심전도 신호에서 소정의 시간범위 내에서 진폭이 최고인 값을 초기 R파로 추출하고,
   상기 초기 R파를 기준으로 초기 문턱값을 설정한 후, 입력되는 심전도 신호에서 상기 초기 문턱값을 초과하는 신호들을 상기 적응가변형 문턱값을 설정하기 위한 상기 R파로서 추출하는 것을 특징으로 하는 심실부정맥 검출방법
7. 제6항에 있어서,
   상기 소정의 시간범위는 1.2sec이고,
   상기 초기 문턱값은 상기 초기 R파 진폭의 30%인 것을 특징으로 하는 심실부정맥 검출방법

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