KR20140087918A - 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 ｒ파 검출 시스템 및 방법 - Google Patents

차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 ｒ파 검출 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차감 동작 기법(Subtractive Operation Method;SOM) 기반으로 심전도 신호의 R파 검출을 수행하여 최소한의 연산량으로 헬스 케어 시스템의 정확한 진단이 가능하도록 한 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템 및 방법에 관한 것으로, ECG 신호를 입력하는 ECG 신호 입력부;상기 ECG 신호 입력부를 통하여 입력되는 ECG 신호를 전처리하여 기저선의 변동이나 전력선 잡음을 제거하는 전처리부;차감 동작 기법을 적용하여 차감신호를 양의 신호와 음의 신호로 분할하고 샘플링 포인트 내에서 경험적 문턱값과 RR 간격을 이용한 역탐색 기법을 적용하여 현재 신호를 기준으로 이전신호와의 진폭값의 차이만을 계산하여 R파를 검출하는 R파 검출부;를 포함하는 것이다.

Description

차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 Ｒ파 검출 시스템 및 방법{System and Method for Detecting Ｒ Wave of ECG Signal based on ＳＯＭ}
본 발명은 헬스 케어 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 차감 동작 기법(Subtractive Operation Method;SOM) 기반으로 심전도 신호의 R파 검출을 수행하여 최소한의 연산량으로 헬스 케어 시스템의 정확한 진단이 가능하도록 한 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 ECG(심전도:electrocardiography) 신호의 해석은 인체로부터의 생체신호 획득, 잡음 제거, QRS 파형의 검출 및 진단의 단계를 포함하며, ECG 신호의 분석을 토대로 심장의 이상 유무와 여러 가지 심장질환의 진단에 많이 활용되고 있다.
이러한 ECG의 해석은 기준점인 QRS 영역의 검출이 선행되어야 하는데, QRS 영역은 심실의 탈분극(depolarization)을 표현하는 ECG의 중요 특성파 곡선으로 ECG 내의 여러 특성파 중 가장 강조된 모습을 보이며, P파, T파 및 ST 세그먼트와 함께 임상적 진단의 기준이 된다.
특히, QRS 영역 중 R파는 ECG 신호 중 가장 큰 대표 신호라 할 수 있으며, 이 점을 기준으로 다양한 특징점을 검출하기 때문에 R파의 검출성능을 높이기 위한 알고리즘 개발에 많은 노력을 기울여 왔다.
하지만 R파 검출은 여러 종류의 잡음성분들로 인하여 이를 분석하는데 어려움을 준다. 특히 홀터 심전계에서 가장 큰 문제를 야기하는 부분이 기저선 변동 잡음인데 전극을 부착한 부위의 근육수축과 호흡의 리듬에 따라서 발생하게 된다.
또한, QRS 영역의 진폭과 유사한 T파나 P파를 R파로 오인함으로써 검출의 어려움이 발생한다.
특히 일반인들의 건강상태를 지속적으로 모니터링 해야 하는 헬스케어 시스템에서는 R파의 실시간 검출이 필요하다. ECG 신호처리는 알고리즘에 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 자원에 대한 효율성을 고려해야 하며, 사용되는 단말기들은 소형화 및 저전력을 위해 신호처리에 가능한 적은 자원만을 사용해야 한다.
즉, 최소한의 연산량으로 정확한 R파를 검출함으로써 다양한 부정맥을 분류할 수 있는 적합한 알고리즘의 설계가 필요하다.
일반적으로 R파의 검출은 QRS 영역을 강화시키는 전처리 과정과 문턱치를 적용해서 R파를 강화시키는 과정으로 나누어진다. 전처리 과정에서는 선형필터링과 비선형 신호처리 방법들을 사용하여 QRS 영역을 강조한다.
또 다른 검출 방법으로 웨이블렛 변환을 이용하여 QRS 영역의 주파수 대역에 해당하는 대역을 추출하는 방법들이 사용되었다. 지금까지 ECG 신호의 R파 검출에 대해서는 많은 연구가 이루어져 있으나 가장 대표적인 것으로는 Pan과 Tompkins가 제안한 방식을 들 수 있다.
하지만 이러한 종래 기술의 R파 검출 기법은 측정 대상자가 고정된 상태에서 측정함을 전제하고 있으며, 하드웨어 및 소프트웨어 자원에 대한 효율성을 고려하지 않았다. 따라서 이러한 기법들이 R파 검출률이 높다 하더라도 최근 부각되고 있는 헬스케어 환경에는 적용되기 어려운 방법이다.
특히 일반인들의 건강상태를 지속적으로 모니터링 해야하는 헬스케어 시스템에서는 이를 위한 ECG 신호의 실시간 처리가 필요하다. 이를 위해서는 사용되는 단말기들은 소형화 및 저전력을 위해 신호처리에 가능한 적은 자원만을 사용해야 한다.
즉, 최소한의 연산량으로 정확한 R파를 검출함으로써 다양한 부정맥을 분류할 수 있는 적합한 알고리즘의 설계가 필요하다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 헬스 케어 시스템의 문제를 해결하기 위한 것으로, 차감 동작 기법(Subtractive Operation Method;SOM) 기반으로 심전도 신호의 R파 검출을 수행하여 최소한의 연산량으로 헬스 케어 시스템의 정확한 진단이 가능하도록 한 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 차감 동작 기법(SOM)으로 심전도 신호의 R파 검출을 하여 현재 신호를 기준으로 이전신호와의 진폭값의 차이만을 계산함으로써 연산량을 줄이는 방법으로 실시간으로 정확한 진단을 해야 하는 헬스케어 시스템에서의 부정맥 분류에 이용할 수 있도록 한 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 특정인에 대한 정상적인 생체신호의 속성을 이미 알고 있는 상태에서 최소한의 연산량으로 정확한 R점을 검출하고, 실시간으로 심장질환을 판단할 수 있도록 한 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 건강상태를 지속적으로 모니터링 해야하는 헬스케어 시스템에서 ECG 신호의 실시간 처리를 하고, 사용되는 단말기들의 소형화 및 저전력을 위해 신호처리에 가능한 적은 자원만을 사용하는 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 ECG 신호로부터 형태 연산을 통한 전처리 후 잡음을 제거하고 경험적 문턱값과 역탐색 기법을 적용하여 R파를 검출하여 심전도 신호에 포함되어 있는 다양한 잡음을 제거하여 R파를 정확히 검출할 수 있도록 한 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템은 ECG 신호를 입력하는 ECG 신호 입력부;상기 ECG 신호 입력부를 통하여 입력되는 ECG 신호를 형태 연산으로 전처리하여 기저선의 변동이나 전력선 잡음을 제거하는 전처리부;차감 동작 기법을 적용하여 차감신호를 양의 신호와 음의 신호로 분할하고 샘플링 포인트 내에서 경험적 문턱값과 RR 간격을 이용한 역탐색 기법을 적용하여 현재 신호를 기준으로 이전신호와의 진폭값의 차이만을 계산하여 R파를 검출하는 R파 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 R파 검출부에서, 샘플링 포인트는 360Hz의 샘플링 주파수에서 144~432 샘플링 포인트에 해당하는 값으로 각각의 RR 간격의 주기는 약 0.4 ~1.2인 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 방법은 입력되는 ECG 신호를 형태 연산으로 전처리하여 기저선의 변동이나 전력선 잡음을 제거하는 단계;차감신호를 양의 신호와 음의 신호로 분할하고 샘플링 포인트 내에서 R파를 검출하는 단계;RR 간격을 이용한 역탐색 기법을 적용하여 R파 검출을 검증하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 잡음을 제거하는 단계에서,
Figure pat00001
으로, 입력값(f(n))은 ECG 신호(f)와 구조요소(g(n))의 팽창과 침식을 위한 연산으로 최소화하고, 형태 연산을 통한 필터링 된 결과(Mf (n))는 입력값(f(n))과 ECG 신호 평균값(f avg (n))의 차이를 통해 계산되는 것을 특징으로 한다.
그리고 형태 연산의 결과는 연산에 사용되는 구조요소의 형태에 따라 달라지며, 구조 요소의 형태는 구조 요소의 크기, 모양, 길이에 의해서 결정되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 차감신호를 양의 신호와 음의 신호로 분할하고 샘플링 포인트 내에서 R파를 검출하는 단계는, 차분 동작을 통해 현재와 이전 신호의 차분 신호(X d (n))를 구하고, 문턱값(T1,T2)을 계산하여 만약 그 값이 문턱 값의 조건을 만족하였을 경우 피크 검출을 위한 후보 신호(X D ), 그렇지 않을 경우 0으로 변환하는 단계와, 해당 후보신호를 0.14s(50 샘플링 포인트) 내에서 왼쪽에서 오른쪽으로 검색해가면서 최대값을 찾는 단계를 포함한다. 즉, 인접한 최대값의 위치 사이에 존재하는 시간을 측정하며 정확한 최대값을 찾는 방식으로 구성된다.
그리고 상기 차분 신호(X d (n))는,
Figure pat00002
와 같이 현재와 이전 시간의 진폭 값 차이를 통해 계산되며, 양과 음의 신호로 각각 나누어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 차분 신호(X d (n))를 후보 신호(X D )로
Figure pat00003
을 이용하여 변환하고, 경험적 문턱 값에 의해 0, 양의 피크 값(+X d (n)), 음의 피크 값(-X d (n))으로 각각 분할되고,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
는 MIT-BIH 부정맥 데이터베이스 레코드의 양과 음의 진폭 값에 대한 평균인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 RR 간격을 이용한 역탐색 기법을 적용하여 R파 검출을 검증하는 단계는, 차분방식을 통해 R파가 검출되면, 새로운 R파가 설정된 시간 이내에 다시 발생하는지 판단하는 단계와,새로운 R파가 설정된 시간 이내에 다시 발생하면, T파를 R파로 오인하는 FP가 발생된 것으로 가정하고 이를 평균 RR 간격의 허용 범위 이내에서 검출되었는지 확인하여 다시 R파를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 차감 동작 기법(SOM)으로 심전도 신호의 R파 검출을 하여 현재 신호를 기준으로 이전신호와의 진폭값의 차이만을 계산함으로써 연산량을 줄일 수 있다.
둘째, 차감 동작 기법 기반에 의한 ECG 신호의 R파 검출에 의해 최소한의 연산량으로 정확한 진단이 가능하다.
셋째, ECG 신호로부터 형태 연산을 통한 전처리 후 잡음을 제거하고 경험적 문턱값과 역탐색 기법을 적용하여 R파를 검출하여 심전도 신호에 포함되어 있는 다양한 잡음을 제거하여 R파를 정확히 검출할 수 있다.
넷째, 복잡한 신호처리를 필요로 하지 않기 때문에 장기간의 모니터링을 수행하는 헬스케어 시스템에서 다양한 부정맥을 실시간으로 분류하는 데 활용이 가능하다.
다섯째, 특정인에 대한 정상적인 생체신호의 속성을 이미 알고 있는 상태에서 최소한의 연산량으로 정확한 R점을 검출하여 실시간으로 심장질환을 판단할 수 있다.
여섯째, 헬스케어 시스템에서 ECG 신호의 실시간 처리가 가능하고, 사용되는 단말기들의 소형화 및 저전력을 위해 신호처리가 가능하다.
일곱째, 사전에 환자의 질병을 예측할 수 있고, 경제적 부담의 경감과 건강 증진을 토대로 사회 경제의 체계적인 건강관리 분야에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템의 구성도
도 2는 형태 연산을 통한 전처리 과정을 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 방법을 나타낸 플로우 차트
도 4는 본 발명에 따른 동적 역탐색 기법을 이용한 R파 검출 방법을 나타낸 플로우 차트
도 5는 형태 연산 필터를 통한 기저선 잡음 제거 결과를 나타낸 플로우 차트
도 6 및 도 7은 차감 동작 기법을 통한 R파 검출 결과를 나타낸 그래프
도 8은 동적 역탐색 기법을 통한 R파 검출 결과를 나타낸 그래프
이하, 본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템의 구성도이고, 도 2는 형태 연산을 통한 전처리 과정을 나타낸 구성도이다.
본 발명은 차감 동작 기법(SOM)으로 심전도 신호의 R파 검출을 하여 현재 신호를 기준으로 이전신호와의 진폭값의 차이만을 계산함으로써 연산량을 줄이는 방법으로 실시간으로 정확한 진단이 가능하도록 한 것이다.
본 발명은 ECG 신호로부터 형태 연산을 통한 전처리 후 잡음을 제거하고 경험적 문턱값과 역탐색 기법을 적용하여 R파를 검출하여 심전도 신호에 포함되어 있는 다양한 잡음을 제거하여 R파를 정확히 검출할 수 있도록 한 것이다.
본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템은 도 1에서와 같이, ECG 신호를 입력하는 ECG 신호 입력부(11)와, ECG 신호 입력부(11)를 통하여 입력되는 ECG 신호를 전처리하여 기저선의 변동이나 전력선 잡음을 제거하는 전처리부(12)와, 차감 동작 기법을 적용하여 차감신호를 양의 신호와 음의 신호로 분할하고 샘플링 포인트 내에서 경험적 문턱값과 RR 간격을 이용한 역탐색 기법을 적용하여 현재 신호를 기준으로 이전신호와의 진폭값의 차이만을 계산하여 R파를 검출하는 R파 검출부(13)를 포함한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템의 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 과정은 크게 ECG 신호로부터 전처리 후 잡음을 제거하는 단계, 차감 동작 기법을 적용하여 R파를 검출하는 단계, RR간격을 이용한 역탐색 기법을 적용하여 R파 검출의 효율성을 검증하는 단계로 나누어진다.
정확한 진단을 위해서는 심전도 신호에 포함되어 있는 다양한 잡음을 제거하여 R파를 정확히 검출하는 것이다. 특히 호흡에 의한 기저선의 변동이나 전력선 잡음을 제거하기 위한 전 처리 과정은 필수적이다.
본 발명은 원신호의 변형을 줄이고 계산량의 복잡도를 최소화하기 위해 형태 연산 기반의 전처리 기법을 적용한다.
형태연산은 침식(erosion), 팽창(dilation) 연산의 적용 순서에 따라 제거(opening)와 채움(closing) 연산으로 나누어지는데, 제거 연산은 침식 후에 팽창을, 채움 연산은 팽창 후에 침식을 수행하여 양과 음의 피크 값을 제거하는 방식으로 진행된다.
본 발명에서 적용한 형태 연산을 이용한 ECG 잡음을 제거하는 과정은 도 2에서와 같다.
도 2에서와 같이 구조요소(SE:Structure Element)를 이용하여 침식과 팽창 연산을 순차적으로 적용하고 그 평균과의 차이를 통하여 최종적으로 필터링 된 결과를 얻는 과정으로 구성된다.
최소한의 연산 량으로 처리의 복잡도를 줄이기 위해 연산자(Operator)를 단순화시킨다.
Figure pat00006
R파 검출을 위해서는 ECG 신호 중 단지 QRS 영역의 보존이 필요하며, 이를 위해 수학식 1과 같이 입력값(f(n))은 ECG 신호(f)와 구조요소(g(n))의 팽창과 침식을 위한 연산으로 최소화한다.
최종적으로 형태 연산을 통한 필터링 된 결과(Mf (n))는 입력값(f(n))과 ECG 신호 평균값(f avg (n))의 차이를 통해 계산된다.
여기서, 평균값을 최종 연산을 위한 신호로 선택한 이유는 평균 연산이 DC 오프셋을 제거하는데 용이하기 때문이다. 형태 연산의 결과는 연산에 사용되는 구조요소의 형태에 따라 달라지며, 구조 요소의 형태는 구조 요소의 크기, 모양, 길이에 의해서 결정된다.
본 발명에서는 QRS 영역과 유사한 형태의 구조요소를 선택하기 위해 삼각파형의 구조요소를 선택한다.
본 발명에서 차감 동작 기법을 통해 R파를 검출하는 알고리즘은 현재 신호를 기준으로 현재와 이전 신호와의 진폭 값 차이만을 계산함으로써 연산 량을 줄이는 것이다.
R파는 우선, 형태 연산을 통해 전 처리 된 신호의 경험적 문턱 값(empirical threshold)과 차감 동작 기법을 이용하여 검출하며, 이 값에 의해 검출되지 않을 경우 RR 간격을 이용한 역 탐색 기법을 사용한다.
차감 동작 기법을 이용한 R파 검출 과정은 도 3에서와 같다.
도 3은 본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
먼저, 차분 동작을 통해 현재와 이전 신호의 차(X d (n))를 구하고(S301), 문턱값(T1,T2)를 계산하고(S302), 만약 그 값이 문턱 값의 조건을 만족하였을 경우(S303) 피크 검출을 위한 후보 신호(X D ), 그렇지 않을 경우 0으로 변환된다.(S304)
이후 그 후보신호를 샘플링 포인트 내에서 왼쪽에서 오른쪽으로 검색해가면서 최대값을 찾는다.(S306)
즉 인접한 최대값의 위치 사이에 존재하는 시간을 측정하며 정확한 최대값을 찾는 방식으로 구성된다.
차분 신호(X d (n))는 수학식 2와 같이 현재와 이전 시간의 진폭 값 차이를 통해 계산되며, 양과 음의 신호로 각각 나누어진다.(305)
Figure pat00007
차분신호는 R파 검출을 위한 후보신호로 변환되어야 하는데 , 그 후보신호(X D )는 수학식 3과 같이 경험적 문턱 값에 의해 0, 양의 피크 값(+X d (n)), 음의 피크 값(-X d (n))으로 각각 분할된다.
Figure pat00008
수학식 3에서
Figure pat00009
,
Figure pat00010
는 MIT-BIH 부정맥 데이터베이스 레코드의 양과 음의 진폭 값에 대한 평균을 나타낸다.
그리고 T1과 T2는 차감 신호에서 양과 음의 최대값을 찾기 위한 문턱값이다.
의학적 정의에 따라 각각의 RR 간격의 주기는 약 0.4 ~1.2이다. 즉 360Hz의 샘플링 주파수에서 144~432 샘플링 포인트에 해당하는 값이다.
예를 들면 MIT-BIH 103번 레코드의 RR 간격 주기는 약 0.864s(311 샘플링 포인트)이며, 그때 샘플링 포인트의 전체 합계는 30분동안 2084*311 이 되며, 이러한 경우
Figure pat00011
,
Figure pat00012
는 각각 0.48과 0.47mV가 된다.
문턱값 T1과 T2는 각각의 실험값에 근거하며, 이값의 설정 목적은 정확한 양과 음의 최대값을 찾기 위한 것이다.
하지만 이 두 값이 너무 작게 설정되면 ECG 신호의 RR 간격 내에 존재하는 0이 아닌 값이 많이 발견됨으로써 찾고자 하는 양과 음의 최대값이 쉽게 발견되지 않을 것이며, 너무 높게 설정되면 그 간격 내부에 실제로 존재하는 R파를 제거함으로써 정확한 양과 음의 최대값을 찾을 수 없다.
그리고 RR 간격을 이용한 동적 역탐색 기법을 이용한 R파 검출은 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 동적 역탐색 기법을 이용한 R파 검출 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
R파 검출 시 P파나 T파를 R파로 오인하는 경우 FP(False Positive)가 발생할 수 있으며, 실제로 R파가 존재함에도 불구하고 이를 검출하지 못하는 TN(True Negative)이 발생할 수 있다.
이러한 오 검출을 막기 위해 본 발명에서는 동적 역탐색 기법(Dynamic Backward Searching Method;DBSM)을 사용한다.
역탐색 기법을 통해 오 검출된 R파를 다시 검색하는 과정은 도 4에서와 같다.
차분방식을 통해 R파가 검출되고(S401), 만약 새로운 R파가(S403) 200ms 이상 360ms 이내에 다시 발생되면(S402), T파를 R파로 오인하는 FP가 발생되었다고 가정하고(S405) 이를 평균 RR 간격의 150% 이내에서 검출되었는지 확인하여(S404) 다시 R파를 검출함으로써(S406) 오 검출을 최대한 낮출 수 있도록 한다.
여기서, 역탐색 기간을 200ms 이상 360ms기간으로 설정한 것은 일반적으로 절대 불응기는 보통 200 ms 가량 지속되고 곧이어 반응하는 상대 불응기가 약 150 ms 지속된 다음 서서히 흥분성이 회복되며, 이후 약 10 ms의 잠복기(latency) 후에 심장의 수축이 시작하기 때문이다
R파의 평균 검출율은 99.41%의 우수한 성능을 나타내었다.
특히 소형화 및 저 전력을 위한 자원의 효율성을 고려하고 이상상태를 감지 후 경고해야 하는 헬스케어 시스템에서는 더욱 효율적일 것으로 판단된다.
이와 같은 본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 Ｒ파 검출 시스템 및 방법은 형태 연산을 통한 기저선 잡음 제거 특성을 갖는다.
본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 Ｒ파 검출 시스템에서, 샘플링 주파수가 360Hz인 MIT/BIH 108번 데이터를 선택하여 형태 연산 필터에 적용하면 다음과 같은 형태 연산을 통한 기저선 잡음 제거 특성을 갖는다.
기저선 발생 구간은 108번 데이터 중에서도 비교적 기저선 변동 폭이 높은 구간을 대상으로 결과를 살펴보면, 도 5(a)와 같이 심전도 원 신호를 본 발명에 따른 알고리즘에 적용하여 기저선 변동을 제거한 신호는 도 5(b)와 같다.
기저선 변동 곡선이 제거되었을 뿐만 아니라 DC 성분 역시 제거된 것을 확인할 수 있다.
도 6은 MIT/BIH 108번 레코드에서 기저선 변동이 발생한 1230~1240s 구간을 선택하고, 형태연산 필터에 따른 기저선 잡음 제거 결과를 나타낸 것이다.
그리고 본 발명은 형태 연산을 통해 기저선 잡음을 제거하고, 잡음이 제거된 신호를 대상으로 차감 기법을 통하여 R파를 검출하는데, R파 검출을 위한 양의 피크와 음의 피크 추출은 현재와 이전 시간간의 진폭 값 차이를 이용한다.
차감 동작 기법을 통한 양과 음의 피크 값 추출이 R파 검출에 적합한지를 확인하기 위해 100번과 203번 레코드를 통해 그 효율성을 확인하면 다음과 같다.
도 6 및 도 7은 차감 동작 기법을 통한 R파 검출 결과를 나타낸 그래프이다.
2개의 레코드를 대상으로 한 이유는 100번 영역은 대부분의 구간이 정상영역을 나타내며, 203번 레코드는 다수의 영역이 부정맥 신호를 담고 있어, 차분 방식을 통한 R파 검출 기법의 효용성을 비교하기가 적합하기 때문이다.
도 6과 같이 100번 레코드의 경우, 일정한 시간 간격을 갖고 실제로 R파가 존재하는 구간에 도 6(b)와 같이 양과 음의 피크 값이 동시에 존재하며, 차분 방식을 통하여 이를 정확하게 검출하는 결과를 나타낸다.
도 7과 같이 208번 레코드의 경우, 조기 심실 수축 비트로 인해 QRS 영역이 반전됨으로 인해 R파 검출 성능을 저하시키는 구간이 존재함에도, 100번 레코드와 마찬가지로 일정한 시간 간격을 가지고, 실제로 R파가 존재하는 구간에 양의 도 7(b)와 같이 양과 음의 피크 값이 동시에 존재하며, 차분 방식을 통하여 이를 정확하게 검출하는 결과를 나타내는 것을 알 수 있다.
도 8은 동적 역탐색 기법을 통한 R파 검출 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명에서 차분 방식을 통한 R파 검출 시 FP(False Positive) 또는 TN(True Negative)이 발생함으로써 검출율의 저하를 가져올 수 있는데, 본 발명에서는 MIT-BIH 108번 레코드를 대상으로 동적 역탐색 기법(Dynamic Backward Searching Method)을 통한 R파 검출의 효율성이 검증되는 것을 도 8에서 확인할 수 있다.
108번 레코드의 구간에 오 검출 구간이 존재하지만, 동적 역탐색 기법이 이를 정확하게 검출하는 결과를 나타내고 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템 및 방법은 심전도 신호의 R파 검출을 위해 형태 연산을 통한 전처리 과정과 경험적 문턱값과 차감신호를 통해 R파를 검출하였으며, 검출의 효율성을 위하여 RR 간격을 이용한 역탐색 기법을 적용하는 것이다.
형태 연산 필터의 성능을 입증하기 위해 비교적 기저선 변동 폭이 높은 MIT/BIH 108번 레코드를 선택하여 실험한 결과 기저선 변동 곡선이 제거되었을 뿐만 아니라 DC 성분 역시 제거된 것을 확인할 수 있다.
또한, 차감 동작 기법을 통한 R파 검출의 적합성을 확인하기 위해 정상신호인 100번과 이상신호를 담고 있는 203번 레코드를 통해 그 효율성을 확인한 결과, 차감 동작 기법을 통하여 R파를 정확하게 검출하는 결과를 확인할 수 있다.
마지막으로 동적 역탐색 기법을 통한 성능을 검증하기 위해 기저선 잡음과 부정맥 구간이 다수 존재하는 108번 레코드를 실험한 결과 차감 동작 기법에서 검출되지 않은 R파가 역탐색 기법에 의해 이를 정확하게 검출하는 결과를 나타낸다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템 및 방법은 차감 동작 기법(SOM)으로 심전도 신호의 R파 검출을 하여 현재 신호를 기준으로 이전신호와의 진폭값의 차이만을 계산함으로써 연산량을 줄이는 방법으로 실시간으로 정확한 진단이 가능하도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
11. ECG 신호 입력부 12. 전처리부
13. R파 검출부

Claims (9)

  1. ECG 신호를 입력하는 ECG 신호 입력부;
    상기 ECG 신호 입력부를 통하여 입력되는 ECG 신호를 형태 연산으로 전처리하여 기저선의 변동이나 전력선 잡음을 제거하는 전처리부;
    차감 동작 기법을 적용하여 차감신호를 양의 신호와 음의 신호로 분할하고 샘플링 포인트 내에서 경험적 문턱값과 RR 간격을 이용한 역탐색 기법을 적용하여 현재 신호를 기준으로 이전신호와의 진폭값의 차이만을 계산하여 R파를 검출하는 R파 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 R파 검출부에서,
    샘플링 포인트는 360Hz의 샘플링 주파수에서 144~432 샘플링 포인트에 해당하는 값으로 각각의 RR 간격의 주기는 약 0.4 ~1.2인 것을 특징으로 하는 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 시스템.
  3. 입력되는 ECG 신호를 형태 연산으로 전처리하여 기저선의 변동이나 전력선 잡음을 제거하는 단계;
    차감신호를 양의 신호와 음의 신호로 분할하고 샘플링 포인트 내에서 R파를 검출하는 단계;
    RR 간격을 이용한 역탐색 기법을 적용하여 R파 검출을 검증하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 잡음을 제거하는 단계에서,
    Figure pat00013
    으로,
    입력값(f(n))은 ECG 신호(f)와 구조요소(g(n))의 팽창과 침식을 위한 연산으로 최소화하고, 형태 연산을 통한 필터링 된 결과(Mf (n))는 입력값(f(n))과 ECG 신호 평균값(f avg (n))의 차이를 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 형태 연산의 결과는 연산에 사용되는 구조요소의 형태에 따라 달라지며, 구조 요소의 형태는 구조 요소의 크기, 모양, 길이에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 차감신호를 양의 신호와 음의 신호로 분할하고 샘플링 포인트 내에서 R파를 검출하는 단계는,
    차분 동작을 통해 현재와 이전 신호의 차분 신호(X d (n))를 구하고, 문턱값(T1,T2)을 계산하여 만약 그 값이 문턱 값의 조건을 만족하였을 경우 피크 검출을 위한 후보 신호(X D ), 그렇지 않을 경우 0으로 변환하는 단계와,
    해당 후보신호를 샘플링 포인트 내에서 왼쪽에서 오른쪽으로 검색해가면서 최대값을 찾는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 차분 신호(X d (n))는,
    Figure pat00014
    와 같이 현재와 이전 시간의 진폭 값 차이를 통해 계산되며, 양과 음의 신호로 각각 나누어지는 것을 특징으로 하는 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 차분 신호(X d (n))를 후보 신호(X D )로
    Figure pat00015
    을 이용하여 변환하고,
    경험적 문턱 값에 의해 0, 양의 피크 값(+X d (n)), 음의 피크 값(-X d (n))으로 각각 분할되고,
    Figure pat00016
    ,
    Figure pat00017
    는 MIT-BIH 부정맥 데이터베이스 레코드의 양과 음의 진폭 값에 대한 평균인 것을 특징으로 하는 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 방법.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 RR 간격을 이용한 역탐색 기법을 적용하여 R파 검출을 검증하는 단계는,
    차분방식을 통해 R파가 검출되면, 새로운 R파가 설정된 시간 이내에 다시 발생하는지 판단하는 단계와,
    새로운 R파가 설정된 시간 이내에 다시 발생하면, T파를 R파로 오인하는 FP가 발생된 것으로 가정하고 이를 평균 RR 간격의 허용 범위 이내에서 검출되었는지 확인하여 다시 R파를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차감 동작 기법 기반의 심전도 신호의 R파 검출 방법.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180037525A (ko) * 2016-10-04 2018-04-12 한국전자통신연구원 심전도 신호로부터 중요 포인트를 검출하는 장치 및 방법
CN109820501A (zh) * 2018-11-12 2019-05-31 浙江清华柔性电子技术研究院 一种心电信号r波的识别方法、装置、计算机设备
CN112353397A (zh) * 2020-11-17 2021-02-12 西安理工大学 一种心电图信号身份识别方法
US11109794B2 (en) * 2018-05-30 2021-09-07 Boe Technology Group Co., Ltd. Method and apparatus for processing ECG signals, and ECG machine

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5908393A (en) 1998-05-04 1999-06-01 Cambridge Heart, Inc. Reducing noise in a biological signal
KR101235215B1 (ko) * 2010-10-29 2013-02-20 경북대학교 산학협력단 잡음 제거 장치 및 그에 따른 잡음 제거 방법

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180037525A (ko) * 2016-10-04 2018-04-12 한국전자통신연구원 심전도 신호로부터 중요 포인트를 검출하는 장치 및 방법
US11109794B2 (en) * 2018-05-30 2021-09-07 Boe Technology Group Co., Ltd. Method and apparatus for processing ECG signals, and ECG machine
CN109820501A (zh) * 2018-11-12 2019-05-31 浙江清华柔性电子技术研究院 一种心电信号r波的识别方法、装置、计算机设备
CN109820501B (zh) * 2018-11-12 2023-11-28 浙江清华柔性电子技术研究院 一种心电信号r波的识别方法、装置、计算机设备
CN112353397A (zh) * 2020-11-17 2021-02-12 西安理工大学 一种心电图信号身份识别方法

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