KR20140046549A - 기저선 잡음 제거를 위한 의류 내장형 ｅｃｇ 센싱 장치 및 방법 - Google Patents

기저선 잡음 제거를 위한 의류 내장형 ｅｃｇ 센싱 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

기저선 잡음 제거를 위한 의류 내장형 ECG 센싱 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 ECG 센싱 장치는, ECG 신호를 필터링하여 인체의 움직임과 호흡으로 인해 발생하는 기저선 변동 잡음을 필터링한다. 이에 의해, 자유로운 움직임에서도 센싱 장치에서의 기저선 변동을 최소화시킬 수 있게 된다.

Description

기저선 잡음 제거를 위한 의류 내장형 ＥＣＧ 센싱 장치 및 방법{ECG sensing apparatus and method for removal of baseline drift in the clothing}
본 발명은 ECG 센싱 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 의류에 내장하는 형태의 ECG 센싱 장치에 관한 것이다.
근거리무선통신 기술(small-scale personal area technologies)과 헬스케어 장비간의 컨버젼스는 의료 헬스케어 모니터링을 실시간으로 가능하게 하여 진료 및 진단을 성취할 수 있는 부가가치가 높은 분야로 기대되고 있다.
근거리통신 기술로는 RFID(radio frequency indentification), UWB(ultra wide band), 블루투스(bluetooth), 지그비(zigbee), 무선센서네트워크(wireless sensor network) 등이 있으며, 이런 기술들은 여러 분야에서 유선을 대체하여 사용자에게 편리성을 제공하기 위해 개발되었다.
따라서, 최근 웨어러블 헬스케어 문헌이나 제품에서는 ECG(ElectroCardioGram : 심전도)와 PPG(PhotoPlethysmoGraph : 맥파) 신호를 실시간으로 계측하고, 근거리 통신망을 이용하여 생체신호를 전달하는 소형화된 웨어러블 타입의 생체센서노드를 발표하거나 다양한 제품들이 출시되고 있는 추세이다.
생체신호 중 가장 대표적인 ECG 신호는 심박동, 스트레스 지수, 호흡수, 부정맥 등 다양한 생체정보 추출이 가능하여 환자의 심장상태나 일반적인 건강상태의 정보를 제공하기 위한 지표로 삼고 있다.
이 생체기반의 웨어러블 타입의 헬스케어 시스템은 호흡에 의한 기저선 잡음, 주변장치들의 영향이나 환자의 움직임에 의해 발생되는 근잡음 등이 유발될 수 있다.
특히, 모션 아티펙트(motion artifacts)는 신체에 전극을 착용하고 걷기, 달리기, 호흡에 따라 전극의 임피던스 변화로 인해서 발생 된다. 이 잡음은 ECG 신호를 기록하는데 있어서 자주 나타나는 신호이며, 신호를 분석하는데 많은 어려움 때문에 이의 적절한 제거 없이는 정확한 진단 및 분석결과를 기대하기 어렵다.
기저선 변동을 해결하기 위해서 차단주파수가 높은 고역통과필터를 사용하여 ECG를 모니터링하는 것을 상정할 수 있지만, 이 경우 유효 ECG 신호가 왜곡되는 문제가 발생한다.
최근에는 ECG나 PPG 신호에 중첩된 기저선 변동 잡음을 제거하기 위해, 적응필터가 사용되고 있다. 이 필터의 경우 상당한 우수한 성능을 보이지만, 원신호에 중첩된 노이즈 신호를 제거하기 위해서 객관적인 참조신호를 이용하여야 한다.
하지만, 잘못된 참조신호를 입력으로 사용할 경우 전혀 노이즈 신호를 제거하지 못하거나 ECG 신호의 왜곡을 초래할 수 있다. 또한, ECG 신호에 노이즈 신호가 중첩될 때마다 임의의 참조신호를 입력으로 사용하여 기저선 노이즈를 제거한다는 것은 이동성을 요구하는 쉽지 않다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 자유로운 움직임에서도 센싱 장치에서의 기저선 변동을 최소화시킬 수 있는, LMS 알고리즘 기반의 적응선형예측필터를 이용한 ECG 센싱 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, ECG 센싱 장치는, 인체의 ECG를 측정하여 ECG 신호를 생성하는 ECG 센서; 상기 ECG 센서에서 생성된 ECG 신호에 대해, 필터링 및 증폭을 수행하는 전처리부; 상기 전처리부에서 출력되는 ECG 신호를 아날로그에서 디지털로 변환하는 ADC(Analog-Digital Converter); 상기 ADC로부터 인가되는 ECG 신호를 필터링하여, 상기 인체의 움직임과 호흡으로 인해 발생하는 기저선 변동 잡음을 필터링하는 필터링부; 및 상기 필터링부에서 필터링된 ECG 신호를 무선으로 전송하는 통신 모듈;를 포함한다.
상기 필터링부는, 상기 ADC로부터 입력되는 ECG 신호 외에 다른 추가적인 참조 신호를 이용하지 않을 수 있다.
상기 필터링부는, 상기 ADC에서 디지털 신호로 변환된 ECG 신호를 입력받는 입력부; 상기 입력부에 입력된 ECG 신호에 존재하는 기저선 변동 잡음을 제거하는 적응선형예측필터; 상기 적응선형예측필터에서 출력되는 필터링된 ECG 신호를 임시 저장하는 버퍼; 및 상기 버퍼에 임시 저장된 ECG 신호를 상기 통신 모듈로 전달하는 출력부;를 포함할 수 있다.
상기 적응선형예측필터는, 상기 입력부에 입력된 ECG 신호가 순차적으로 시프트 되는 다수의 지연기들을 포함하는 부-지연부; 상기 부-지연부에서 출력되는 ECG 신호가 순차적으로 시프트 되는 다수의 지연기들을 포함하는 주-지연부; 상기 주-지연부의 지연기들에 임시 저장된 ECG 신호들 각각에 해당 계수들을 곱하여 출력하는 게인부; 및 상기 게인부의 출력들을 모두 합산하여 필터링된 ECG 신호를 생성하는 합산부;를 포함할 수 있다.
상기 부-지연부에 마련된 지연기들의 개수는, 상기 주-지연부에 마련된 지연기들의 개수 보다 적을 수 있다.
상기 적응선형예측필터는, 상기 입력부에 입력된 ECG 신호에서 상기 합산부에서 생성된 필터링된 ECG 신호를 감산하여 에러 신호를 생성하는 감산기; 및 상기 감산기에서 출력되는 에러 신호와 상기 주-지연부의 지연기들에 임시 저장된 ECG 신호들을 이용하여, 상기 게인부의 계수들을 업데이트하는 계수 제어기;를 더 포함할 수 있다.
상기 계수 제어기는,
Figure pat00001
w[k] : 상기 게인부의 k번째 앰프의 계수
μ : 수렴 상수
ε : 에러 신호
x[k+delay] : 상기 주-지연기의 k번째 지연기에 임시 저장된 ECG 신호
delay : 상기 부-지연기에 마련된 지연기들의 개수
위 수학식을 이용하여 상기 게인부의 계수들을 업데이트할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, ECG 센싱 방법은, 인체의 ECG를 측정하여 ECG 신호를 생성하는 단계; 상기 생성단계에서 생성된 ECG 신호에 대해, 필터링 및 증폭을 수행하는 전처리 단계; 상기 전처리 단계에서 출력되는 ECG 신호를 아날로그에서 디지털로 변환하는 단계; 상기 변환 단계에서 변환된 ECG 신호를 필터링하여, 상기 인체의 움직임과 호흡으로 인해 발생하는 기저선 변동 잡음을 필터링하는 단계; 및 상기 필터링 단계에서 필터링된 ECG 신호를 무선으로 전송하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, LMS 알고리즘 기반의 적응선형예측필터를 이용한 ECG 센싱 장치로 인해, 자유로운 움직임에서도 센싱 장치에서의 기저선 변동을 최소화시킬 수 있게 된다. 또한, 지연기들을 구분하여, 계수를 업데이트 함에 있어 적응선형예측필터에 입력된 ECG 신호의 잡음과 지연기들에 임시 저장된 ECG 신호들의 잡음들 간의 상관성을 없앨 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ECG 센싱 장치의 블럭도,
도 2는, 도 1에 도시된 필터링부의 상세 블럭도,
도 3은, 도 2에 도시된 적응선형예측필터의 상세 블럭도, 그리고,
도 4는, 도 3에 도시된 적응선형예측필터에 의한 필터링 과정의 설명에 제공되는 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ECG 센싱 장치의 블럭도이다. 본 실시예에 따른 ECG 센싱 장치(100)는 실시간으로 ECG 신호를 측정하기 위한 장치로, 제한된 프로세싱 능력으로 ECG 신호에 대한 기저선 잡음 제거를 효과적으로 수행한다.
이에 따라, 의류 내장형으로 사용되는 경우에도, 본 실시예에 따른 ECG 센싱 장치(100)는 모션 아티펙트를 최소화할 수 있다. ECG 센싱 장치(100)는 의류와 체스트 벨트에 탈부착이 가능한 형태로 제작 가능하며, 측정된 ECG 정보는 릴레이 노드(미도시)를 통해 베이스 스테이션(미도시)으로 전달된다.
이와 같은 기능을 수행하는 본 실시예에 따른 ECG 센싱 장치(100)는 ECG 센서(110), 전처리부(120), ADC(Analog-Digital Converter)(130), 필터링부(140) 및 RF 모듈(150)을 구비한다.
ECG 센서(110)는 전도성 직물전극로 인체의 ECG를 측정하여 ECG 신호를 생성하고, 생성된 ECG 신호를 전처리부(120)로 전달한다.
전처리부(120)는 ECG 센서(110)에서 생성된 ECG 신호에 대한 전처리로, 증폭과 필터링을 수행한다. 구체적으로, 전처리부(120)는, HPF(High Pass Filter)를 이용하여 ECG 신호에 포함된 저주파 노이즈를 제거하고, 저주파 노이즈가 제거된 ECG 신호를 증폭한 후, LPF(Low Pass Filter)를 이용하여 ECG 신호에 포함된 고주파 노이즈를 제거하며, 고주파 노이즈가 제거된 ECG 신호를 다시 한 번 증폭하여 출력한다.
ADC(130)는 전처리부(120)에서 출력되는 ECG 신호를 아날로그에서 디지털로 변환하여 필터링부(140)에 인가한다.
필터링부(140)는 ADC(130)로부터 인가되는 디지털 ECG 신호를 필터링하여, ECG 센싱 장치(100)를 착용한 사용자의 움직임과 호흡으로 인해서 발생하는 기저선 변동 잡음을 필터링한다.
특히, 필터링부(140)는 입력되는 ECG 신호 외에 다른 추가적인 참조 신호를 이용하지 않는다. 필터링부(140)의 구조에 대한 상세한 설명은 후술한다.
RF 모듈(150)은 필터링부(140)에서 필터링된 ECG 신호를 무선으로 릴레이 노드에 무선으로 전송한다.
이하에서는, 전술한 필터링부(140)에 대해 도 2를 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는, 도 1에 도시된 필터링부(140)의 상세 블럭도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 필터링부(140)는 입력부(141), 적응선형예측필터(Adaptive Linear Prediction Filter)(143), 버퍼(145) 및 출력부(147)를 구비한다.
입력부(141)는 ADC(130)에서 디지털 신호로 변환된 ECG 신호를 입력받아 적응선형예측필터(143)에 전달한다.
적응선형예측필터(143)는 LMS(Least Mean Square : 최소 제곱 평균) 알고리즘을 기반으로, 입력부(141)를 통해 입력된 ECG 신호에 존재하는 기저선 변동 잡음을 제거한다.
버퍼(145)는 적응선형예측필터(143)에서 출력되는 필터링된 ECG 신호를 임시 저장하는 공간이다.
출력부(147)는 버퍼(145)의 모든 저장 공간에 ECG 신호가 저장되면(버퍼(145) 풀 상태), 저장된 ECG 신호를 인출하여 RF 모듈(150)로 전달한다.
이하에서는, 도 2에 도시된 적응선형예측필터(143)에 대해, 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. 도 3은, 도 2에 도시된 적응선형예측필터(143)의 상세 블럭도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 적응선형예측필터(143)는 부-지연부(210), 주-지연부(220), 게인부(230), 합산부(240), 감산기(250) 및 계수 제어기(260)를 구비한다.
부-지연부(210)는 5개의 지연기(Z-1)들로 구성되고, 주-지연부(220)는 12개의 지연기(Z-1)들로 구성된다. 적응선형예측필터(143)로 입력된 ECG 신호인 x[n]은 부-지연부(210)의 지연기(Z-1)들을 거쳐 주-지연부(220)의 지연기(Z-1)들에 순차적으로 시프트된다.
부-지연부(210)에 마련된 지연기(Z-1)들의 개수는 주-지연부(220)에 마련된 지연기(Z-1)들의 개수 보다 작다.
지연부(210, 220)를 부-지연부(210)와 주-지연부(220)로 구분한 것은, 계수를 업데이트 함에 있어 적응선형예측필터(143)에 입력된 ECG 신호의 잡음과 주-지연부(220)에 임시 저장된 ECG 신호들의 잡음들 간의 상관성을 없애기 위함이다.
게인부(230)는 12개의 앰프들로 구성되어, 부-지연부(210)에서 출력되어 주-지연부(220)에 임시 저장된 12개의 ECG 신호들 각각에 해당 계수들(w0, w1, w2, w3, w4, .... , w11)을 곱하여 출력한다.
합산부(240)는 게인부(230)에서 해당 계수들(w0, w1, w2, w3, w4, .... , w11)이 곱해진 12개의 ECG 신호들을 모두 합산한다. 합산부(240)에서 합산되어 출력되는 ECG 신호 y는 적응선형예측필터(143)의 출력으로, 버퍼(145)에 저장된다.
감산기(250)는 적응선형예측필터(143)로 입력된 ECG 신호 x[n]에서 합산부(240)의 출력인 필터링된 ECG 신호 y를 감산하여, 에러 신호 ε를 생성한다.
계수 제어기(260)는 감산기(250)에서 출력되는 에러 신호 ε와 주-지연부(220)에 임시 저장된 12개의 ECG 신호들을 이용하여, 게인부(230)의 계수들(w0, w1, w2, w3, w4, .... , w11)을 업데이트 한다.
구체적으로, 계수 제어기(260)는 ε가 최소가 되도록 게인부(230)의 계수들(w0, w1, w2, w3, w4, .... , w11)을 업데이트 한다. 계수 제어기(260)는 부-지연부(210)와 주-지연부(220)에 마련된 지연기(Z-1)들에 의해 충분히 지연된 출력과 지연되지 않은 입력 ECG 신호의 에러를 최소화시킴으로써, 과거의 입력으로 미래의 출력을 예측할 수 있도록 하였다. 환언하면, 지연된 입력을 이용하여 미래의 출력을 예측해 입력파형과 똑같은 출력을 내보낼 수 있게 되는 것이다.
도 3에 도시된 적응선형예측필터(143)에 의한 필터링 과정에 의해, 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 적응선형예측필터(143)에 ECG 신호가 입력되어 지연되면서, 부-지연부(210)와 주-지연부(220)를 구성하는 지연기(Z-1)들에 순차적으로 임시 저장되면서 시프트된다(S310).
그러면, 게인부(230)는 S310단계에서 주-지연부(220)를 구성하는 지연기(Z- 1)들에 임시 저장된 12개의 ECG 신호들 각각에 해당 계수들(w0, w1, w2, w3, w4, .... , w11)을 곱하고, 합산부(240)는 해당 계수들(w0, w1, w2, w3, w4, .... , w11)이 곱해진 12개의 ECG 신호들을 모두 합산한다(S320 및 S330).
S320단계는 아래의 수학식 1로 표현 가능하다.
Figure pat00002
여기서, delay는 부-지연부(210)를 구성하는 지연기(Z-1)들의 개수를 의미하는데, 본 실시예에서 delay는 5이다.
이후, 감산기(250)는 적응선형예측필터(143)로 가장 최근에 입력된 ECG 신호 x[0]에서 합산부(240)의 출력인 필터링된 ECG 신호 y를 감산하여, 에러 신호 ε를 생성한다(S340).
다음, 계수 제어기(260)는 S340단계에서 생성된 에러 신호 ε와 주-지연부(220)에 임시 저장된 12개의 ECG 신호들 x[k+delay]을 이용하여, 게인부(230)의 계수들(w0, w1, w2, w3, w4, .... , w11)을 업데이트 한다(S350 및 S360).
S350단계는 아래의 수학식 2로 표현 가능하다.
Figure pat00003
여기서, μ는 수렴 상수로 실험적으로 결정하는 것이 바람직하다.
이후, ECG 신호를 새로이 입력받고 부-지연부(210)와 주-지연부(220)의 17개의 지연기(Z-1)들에 ECG 신호들을 순차적으로 지연시키면서 시프트 시킨다(S370 및 S380).
한편, 버퍼(145)의 모든 저장 공간에 필터링된 ECG 데이터 y가 저장되면(S390), 출력부(147)는 이 필터링된 ECG 데이터들을 인출하여 RF 모듈(150)로 전달한다(S395).
적응선형예측필터(143)의 부-지연부(210)와 주-지연부(220)를 구성하는 지연기(Z-1)들의 개수는 잡음의 성질이나 기타 다른 사양에 따라 결정할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : ECG 센싱 장치 110 : ECG 센서
120 : 전처리부 130 : ADC(Analog-Digital Converter)
140 : 필터링부 141 : 입력부
143 : 적응선형예측필터(Adaptive Linear Prediction Filter)
210 : 부-지연부 220 : 주-지연부
230 : 게인부 240 : 합산부
250 : 감산기 260 : 계수 제어기
145 : 버퍼 147 : 출력부
150 : RF 모듈

Claims (8)

  1. 인체의 ECG를 측정하여 ECG 신호를 생성하는 ECG 센서;
    상기 ECG 센서에서 생성된 ECG 신호에 대해, 필터링 및 증폭을 수행하는 전처리부;
    상기 전처리부에서 출력되는 ECG 신호를 아날로그에서 디지털로 변환하는 ADC(Analog-Digital Converter);
    상기 ADC로부터 인가되는 ECG 신호를 필터링하여, 상기 인체의 움직임과 호흡으로 인해 발생하는 기저선 변동 잡음을 필터링하는 필터링부; 및
    상기 필터링부에서 필터링된 ECG 신호를 무선으로 전송하는 통신 모듈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 ECG 센싱 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 필터링부는,
    상기 ADC로부터 입력되는 ECG 신호 외에 다른 추가적인 참조 신호를 이용하지 않는 것을 특징으로 하는 ECG 센싱 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 필터링부는,
    상기 ADC에서 디지털 신호로 변환된 ECG 신호를 입력받는 입력부;
    상기 입력부에 입력된 ECG 신호에 존재하는 기저선 변동 잡음을 제거하는 적응선형예측필터;
    상기 적응선형예측필터에서 출력되는 필터링된 ECG 신호를 임시 저장하는 버퍼; 및
    상기 버퍼에 임시 저장된 ECG 신호를 상기 통신 모듈로 전달하는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 ECG 센싱 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 적응선형예측필터는,
    상기 입력부에 입력된 ECG 신호가 순차적으로 시프트 되는 다수의 지연기들을 포함하는 부-지연부;
    상기 부-지연부에서 출력되는 ECG 신호가 순차적으로 시프트 되는 다수의 지연기들을 포함하는 주-지연부;
    상기 주-지연부의 지연기들에 임시 저장된 ECG 신호들 각각에 해당 계수들을 곱하여 출력하는 게인부; 및
    상기 게인부의 출력들을 모두 합산하여 필터링된 ECG 신호를 생성하는 합산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 ECG 센싱 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 부-지연부에 마련된 지연기들의 개수는,
    상기 주-지연부에 마련된 지연기들의 개수 보다 적은 것을 특징으로 하는 ECG 센싱 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 적응선형예측필터는,
    상기 입력부에 입력된 ECG 신호에서 상기 합산부에서 생성된 필터링된 ECG 신호를 감산하여 에러 신호를 생성하는 감산기; 및
    상기 감산기에서 출력되는 에러 신호와 상기 주-지연부의 지연기들에 임시 저장된 ECG 신호들을 이용하여, 상기 게인부의 계수들을 업데이트하는 계수 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ECG 센싱 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 계수 제어기는,
    Figure pat00004

    w[k] : 상기 게인부의 k번째 앰프의 계수
    μ : 수렴 상수
    ε : 에러 신호
    x[k+delay] : 상기 주-지연기의 k번째 지연기에 임시 저장된 ECG 신호
    delay : 상기 부-지연기에 마련된 지연기들의 개수
    위 수학식을 이용하여 상기 게인부의 계수들을 업데이트하는 것을 특징으로 하는 ECG 센싱 장치.
  8. 인체의 ECG를 측정하여 ECG 신호를 생성하는 단계;
    상기 생성단계에서 생성된 ECG 신호에 대해, 필터링 및 증폭을 수행하는 전처리 단계;
    상기 전처리 단계에서 출력되는 ECG 신호를 아날로그에서 디지털로 변환하는 단계;
    상기 변환 단계에서 변환된 ECG 신호를 필터링하여, 상기 인체의 움직임과 호흡으로 인해 발생하는 기저선 변동 잡음을 필터링하는 단계;
    상기 필터링 단계에서 필터링된 ECG 신호를 무선으로 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 ECG 센싱 방법.
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