KR20190049430A - Pain depth classification apparatus and method using PPG and heart rate variability - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 맥파 신호의 시간 영역 특징을 검출하고, 심박변이도의 시간영역 특징과 주파수영역 특징들을 검출하고, 이들 특징들을 0과 1사이의 값을 갖도록 정규화하고, 정규화된 데이터를 통증 심도 그룹 별 출력변수로 라벨링을 행하고, 패턴분류기를 통해 기계 학습 패턴 분석을 행하여 통증 심도를 분류하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법에 관한 것이다.The present invention detects time-domain characteristics of a pulse wave signal, detects time-domain and frequency-domain features of heartbeat-variability, normalizes these characteristics to have a value between 0 and 1, and outputs the normalized data to the intensity- To a method of classifying pain using pulse waves and heart beat variability, which classifies pain intensity by performing labeling with a variable and performing machine learning pattern analysis through a pattern classifier.
일반적으로, 통증의 원인에 따라서, 통증은 침해 수용성통증(nociceptive pain), 신경인성 통증(neurogenic pain), 비기질성 동통 또는 심인성 동통(psychogenic pain)으로 나뉜다. 또한, 발생부위에 따라서, 체성(體性)통(somatic pain), 내장통(visceral pain), 중추통(central pain)으로 나뉘되, 체성통은 표면통과 심부통으로 나뉜다. 또한, 통증을 빠른 통증(Fast pain)인지 또는 느린 통증(Slow pain)인지를 분류한다.Generally, depending on the cause of the pain, the pain can be divided into nociceptive pain, neurogenic pain, non-tempered pain or psychogenic pain. It is divided into somatic pain, visceral pain, and central pain depending on the site of occurrence, and the somatic tub is divided into the surface penetration deep tub. It also classifies pain as either a fast pain or a slow pain.
통증의 심도는 발생부위에 따라 통증을 분류하는 것이로, 일반적으로 통증은 환자의 주관에 따라 달라지므로, 이를 분류하는 것은 상당히 어렵다. The depth of the pain is classified according to the site of occurrence. Generally, the pain varies depending on the subject of the patient, so it is very difficult to classify it.
현재로는 통증의 심도를, 개관적이고, 수치적이며, 정확하게 분류하는 이렇다할 방법이 없다. At present, there is no way to classify the depth of pain as an overview, numerical, or exact.
따라서, 통증의 심도를 결정하는 객관적이고 수치적이며 간단하면서 정확도가 높은 생체신호 기반 통증심도 분류 장치 및 방법이 요망된다. Therefore, there is a need for an objective, numerical, simple, and highly accurate bio-signal-based pain intensity classification apparatus and method for determining the depth of pain.
선행기술로, 국내 공개특허 제10-2006-0017510호 '의심 심장질환 원인에 의한 가슴 통증을 앓는 환자의 위험도를 계층화하는 기기 및 방법'이 있다. 이 발명은 환자의 ECG 이외에, 하나 이상의 시험관 내 진단 분석법에 의한 임상결과를 얻어, ECG 결과와 임상결과를 비교분석으로 위험도 계층화 결과를 얻는 것으로, 통증의 심도를 분석하는 것이 아니며, 또한 임상결과를 별도 얻어야 하는 번거로움이 있다.Prior art is disclosed in Korean Patent Laid-Open No. 10-2006-0017510, entitled " Device and method for layering the risk of patients suffering from chest pain caused by suspected heart disease. In addition to the ECG of the patient, the present invention obtains a clinical result by at least one in vitro diagnostic assay, obtains a risk stratification result by comparing and analyzing the ECG result and the clinical result, does not analyze the depth of the pain, There is a hassle to get separately.
다른 선행기술로, 국내 등록특허 제10-1000761호 '수술환자의 통증/의식수준 측정장치 및 방법이 있다. 이 발명에 따른 수술환자의 통증/의식수준 측정장치는 수술환자의 소정부위에 자극신호를 주고, 다른 부위에서 상기 자극신호에 대한 전위를 검출하여 체성 감각 유발전위 검사(SSEP)를 구하고 이를 이용하여 수술환자의 통증/의식수준 정보를 생성한다. 즉, 이 발명은 환자에게 직접적으로 자극을 가하여 자극에 대한 신체반응을 검출하여 통증정도를 판단하나, 실제적으로 환자가 느끼는 통증은 주관적인 것으로 이와 다를 수 있어, 객관성 및 정확도에 의문이 있다. 또한 자극을 가하는 것으로, 일반 환자들은 기피할 수 있다.Another prior art is Korean Patent No. 10-1000761, entitled " Device and method for measuring the pain / consciousness level of a surgical patient. The apparatus for measuring the pain / consciousness level of a surgical patient according to the present invention is characterized in that a stimulation signal is given to a predetermined region of a surgical patient and a potential for the stimulation signal is detected at another region to obtain a somatic sensory evoked potential (SSEP) Generate pain / conscious level information of the surgical patient. That is, the present invention detects the pain response by detecting a physical response to the stimulus by directly stimulating the patient, but the pain felt by the patient is subjective and may be different from that of the patient, thus doubling the objectivity and accuracy. Also by stimulating, general patients can be avoided.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 맥파 신호의 시간 영역 특징을 검출하고, 심박변이도(HRV)의 시간영역 특징과 주파수영역 특징들을 검출하고, 이들 특징들을 0와 1사이의 값을 갖도록 정규화하고, 정규화된 데이터를 통증 심도 그룹 별 출력변수로 라벨링을 행하고, 패턴분류기를 통해 기계 학습 패턴 분석을 행하여 통증 심도를 분류하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to detect time-domain characteristics of a pulse wave signal, to detect time-domain and frequency-domain features of HRV, to normalize these characteristics to have values between 0 and 1, And classifying the pain intensity by performing a machine learning pattern analysis through a pattern classifier, and to provide a method of classifying pain using pulse waves and heart beat variability.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 맥파 신호의 시간 영역 특징으로, 평균 신호 진폭, 평균 상승 시간, 평균 하강 시간, 평균 심박수를 구하고, 심박변이도 시간 영역 특징으로, 평균 RR 간격, SDNN, rMSSD, NN20, NN50, pNN20, pNN50를 구하고, 심박변이도의 주파수영역 특징으로, VLF성분, LF성분, HF성분, LF/HF를 검출하고, 이들 결과를, Multi-layer Perceptron Neural Network 기반의 패턴 분류기, Support Vector Machine(SVM: Radial Basis Function kernel) 기반의 패턴 분류기, Deep Belief Network 기반의 패턴 분류기를 사용하여 통증 심도를 분류하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법을 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a time domain characteristic of a pulse wave signal in which an average signal amplitude, an average rise time, an average fall time, and an average heart rate are obtained and an average RR interval, SDNN, rMSSD, The VLF component, the LF component, the HF component, and the LF / HF are detected by the frequency domain characteristics of heart beat variability, and these results are stored in a pattern classifier based on Multi-layer Perceptron Neural Network, Support A pattern classifier based on a Vector Machine (SVM), and a pattern classifier based on a Deep Belief Network, to classify pain depths, and a method for classifying pain using pulse waves and heart beat variability.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 연산처리부가 맥파센서로부터 수신된 맥파신호로부터, 맥파의 평균 진폭을 포함하는 맥파 시간영역 특징을 검출하고, RR 간격인 심박변이를 검출하고, 심박변이로부터, 평균 RR 간격을 포함하는 심박변이도 시간영역 특징을 검출하고, 심박변이의 0.003~0.04Hz의 주파수 강도인 VLF 강도를 포함하는 심박변이도 주파수영역 특징를 검출하는 신호검출단계; 연산처리부는 상기 신호검출단계에서 검출된 맥파 시간영역 특징과, 심박변이도 시간영역 특징과, 심박변이도 주파수영역 특징을 0와 1사이의 값을 갖도록 정규화하는 정규화 단계; 연산처리부는 정규화단계에서 정규화된 맥파 시간영역 특징과, 심박변이도 시간영역 특징과, 심박변이도 주파수영역 특징을, 통증 심도 그룹별 출력변수로 라벨링을 행하는, 라벨링 단계; 연산처리부는 라벨링 단계에서 출력된 통증 심도 그룹별 출력변수를 가진 특징벡터를 패턴분류기에 입력하여 기계 학습 패턴 분석을 행하여 통증 심도를 분류하는, 통증심도 분류단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a blood pressure monitor for detecting pulse wave time-domain characteristics including an average amplitude of a pulse wave from a pulse wave signal received from a pulse wave sensor of an arithmetic processing unit and detecting a heart rate variation as an RR interval, A signal detection step of detecting a heart rate variability frequency domain feature including a mean RR interval and a VLF intensity that is a frequency intensity of 0.003 to 0.04 Hz of a heart beat variance; A normalizing step of normalizing the pulse-wave time-domain characteristic, the heartbeat-variability time-domain characteristic, and the heartbeat-variability frequency-domain characteristic detected in the signal detection step so as to have a value between 0 and 1; A labeling step of labeling the pulse wave time domain characteristic, the heartbeat mutation time domain characteristic, and the heartbeat mutation frequency domain characteristic normalized in the normalization step as an output variable for each pain intensity group in the normalization step; The arithmetic processing unit includes a pain intensity classifying step of classifying the pain intensity by performing a machine learning pattern analysis by inputting a feature vector having an output variable for each pain intensity group output in the labeling step into a pattern classifier.
신호검출단계는, 연산처리부는, 맥파센서로부터 수신되거나 또는 맥파센서로부터 수신되어 메모리부에 임시 저장된 맥파 신호에서, 맥파 신호의 시간 영역 특징인, 맥파신호 평균진폭(Mean Amplitude), 맥파 상승 시간(Rise time), 맥파 하강 시간(Fall time), 평균 심박수(Average heart rate)을 구하는, 맥파 신호의 시간 영역 특징 검출단계; 맥파 신호의 시간 영역 특징 검출단계 후, 연산처리부는, 맥파센서로부터 수신되거나 또는 맥파센서로부터 수신되어 메모리부에 임시 저장된 맥파 신호에서, 각 주기의 R포인트(최대점)에서 연이은 다음 주기의 R포인트까지의 간격인 RR 간격(심박변이)을 구하는, RR 간격검출단계; RR 간격검출단계 후, 연산처리부는 심박변이도(HRV) 시간 영역 특징인, 평균 RR 간격(Mean RRI), 전체 RR 간격의 표준편차(SDNN), 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(rMSSD), 20ms를 초과하는 RR간격의 수(NN20), 50ms를 초과하는 RR간격의 수(NN50), 전체 RR간격 개수 중 20ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN20), 전체 RR 간격 개수 중 50ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN50)를 구하는, 심박변이도 시간 영역 특징 추출단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the signal detecting step, the arithmetic processing unit calculates a pulse wave signal average amplitude (Mean Amplitude), a pulse wave rise time (pulse wave rising time Rise time, a pulse time fall time, and an average heart rate of the pulse wave signal; After the detection of the time-domain characteristic of the pulse wave signal, the calculation processing section calculates the R-point of the next cycle from the R-point (maximum point) of each cycle in the pulse wave signal received from the pulse wave sensor or received from the pulse- An RR interval detecting step of obtaining an RR interval (heart beat variation) After the RR interval detection step, the arithmetic processing unit calculates the average square root of the mean of the values obtained by squaring the difference between the adjacent RR intervals, the mean RR interval (Mean RRI), the standard deviation (SDNN) of the total RR interval, the number of RR intervals exceeding 20 ms (NN20), the number of RR intervals exceeding 50 ms (NN50), the ratio of the total number of RR intervals exceeding 20 ms (pNN20), the total number of RR intervals And calculating a ratio (pNN50) of the number of RR intervals exceeding 50 ms in the heart beat variability time domain feature extraction step.
신호검출단계는, 연산처리부는, RR 간격검출단계에서 구한 RR 간격 값들, 심박변이 값들에서 기저선 보정을 통해 RR 간격의 직류(DC) 값 제거하고, 2 Hz로 큐빅 보간(Cubic interpolation, 3차보간)을 행하는, 기저선 보정 및 큐빅 보간 단계; 연산처리부는, 기저선 보정 및 큐빅 보간 단계에서 기저선 보정 및 큐빅 보간이 행하여진 RR 간격 값에, 50% 중첩되는 해밍 윈도우(50% overlapped Hamming window)를 적용하여 고속 퓨리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)를 행하는, FFT단계; FFT단계에서 주파수 영역으로 변환된 RR 간격 값들에서, 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징인, 0.003~0.04Hz의 아주 낮은 주파수대역(VLF) 강도, 0.04~0.15Hz의 저주파수대역(LF) 강도, 0.15~0.4Hz의 고주파수대역(HF) 강도, 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio)를 구하는, 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징 추출단계;를 더 포함한다.In the signal detection step, the arithmetic processing unit removes the DC value of the RR interval through the baseline correction at the RR interval values and the heartbeat deviation values obtained at the RR interval detection step, and performs a Cubic interpolation (cubic interpolation) A baseline correction and a cubic interpolation step, The arithmetic processing unit applies Fast Fourier Transform (FFT) by applying a 50% overlapped Hamming window to the RR interval value subjected to baseline correction and cubic interpolation in the baseline correction and cubic interpolation steps, The FFT step; A very low frequency band (VLF) intensity of 0.003 to 0.04 Hz, a low frequency band (LF) intensity of 0.04 to 0.15 Hz, a frequency of 0.15 (HRV) frequency domain feature extraction step for obtaining a high frequency band (HF) intensity of about 0.4 Hz and a band intensity ratio (LF / HF ratio) of a low frequency band and a high frequency band.
연산처리부는 맥파신호의 한 주기에서 최대점(Peak)과 최소점(Valley)의 사이 크기를 맥파신호 진폭으로 구하고, 5분 동안 맥파신호 진폭들의 평균을 맥파신호 평균진폭으로서 구하며, 맥파 상승 시간은, 5분 동안 맥파신호의 각 주기에서 최소점(Valley)에서 최대점(Peak)로 상승하는데 소요된 시간의 평균이며, 맥파 하강 시간은 5분 동안 각 주기에서 최대점(Peak)에서 최소점(Valley)로 하강하는데 소요된 시간의 평균이다.The arithmetic processing section obtains the amplitude between the maximum point Peak and the minimum point in one cycle of the pulse wave signal by the pulse wave signal amplitude and obtains the average pulse wave signal amplitude as the average pulse wave signal amplitude for five minutes, , The average time taken to rise from the minimum point (valley) to the maximum point (peak) in each cycle of the pulse wave signal for 5 minutes, and the pulse wave fall time is the minimum point (Peak) Valley) is the average of the time taken to descend.
연산처리부는 맥파 신호의 시간 영역 특징들, 심박변이도(HRV) 시간 영역 특징들, 및 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징들의 정규화(Dnormalization(i))는The arithmetic processing unit calculates the time domain characteristics of the pulse wave signal, the heart rate variability (HRV) time domain features, and the HRV frequency domain features (D normalization (i))
(단, Draw(i)는 맥파 신호의 시간 영역 특징들, 심박변이도(HRV) 시간 영역 특징들, 및 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징들 중의 하나의 특징 값 중에 하나 이고, Dmax(i)는 Draw(i)를 나타내는 특징들중 최대값을 나타내며, Dmin(i)은 Draw(i)를 나타내는 특징들중 최소값을 나타냄) 에 의해 구하여지는 것을 특징으로 한다. (Note that, D raw (i) is the time domain of the pulse wave signal characteristics, heart rate variability (HRV) time domain features, and heart rate variability (HRV) is the one of the frequency-domain features, one feature value of, D max (i ) Represents the maximum value among the characteristics representing D raw (i), and D min (i) represents the minimum value among the characteristics representing D raw (i)).
통증심도분류 단계는, 연산처리부가 라벨링 단계에서 라벨링이 행하여진 정규화된 특징 벡터를, 다층퍼셉트론 신경망(Multi-layer Perceptron Neural Network) 기반의 패턴 분류기와, 방사 기저 함수 커널(Radial Basis Function kernel)을 이용하는 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 기반의 패턴 분류기와, 심층 신뢰 신경망 (Deep Belief Network, DBN) 기반의 패턴분류기에 입력하여 기계 학습 패턴 분석을 행하여 통증 심도를 분류한다.In the pain intensity classification step, the normalized feature vector, which is labeled in the operation unit labeling step, is divided into a pattern classifier based on a Multi-layer Perceptron Neural Network and a Radial Basis Function kernel The patterns are classified into Support Vector Machine (SVM) based pattern classifier and Deep Belief Network (DBN) based pattern classifier for machine learning pattern analysis.
본 발명은 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법에 대한 컴퓨터 프로그램 소스를 저장한 기록매체를 특징으로 한다.The present invention is characterized by a recording medium storing a computer program source for a method of classifying a pain using a pulse wave and heart beat variability.
발광다이오드와 포토센서를 구비하여 광용적맥파인 맥파를 검출하는 맥파센서와, 맥파센서로부터 수신된 맥파를 증폭하고 잡음을 제거하며, 디지탈신호로 변환하는 신호전처리부와, 신호전처리부로부터 맥파를 수신하여 맥파의 평균 진폭을 포함하는 맥파 시간영역 특징을 검출하는 연산처리부를 포함하는 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류장치에 있어서, 연산처리부는, 신호전처리부로부터 수신된 맥파신호로부터, RR 간격인 심박변이를 검출하고, 심박변이로부터, 평균 RR 간격을 포함하는 심박변이도 시간영역 특징을 검출하고, 심박변이의 0.003~0.04Hz의 주파수 강도인 VLF 강도를 포함하는 심박변이도 주파수영역 특징를 검출하고, 검출된 맥파 시간영역 특징과, 심박변이도 시간영역 특징과, 심박변이도 주파수영역 특징을 0와 1사이의 값을 갖도록 정규화하고, 정규화된 맥파 시간영역 특징과, 심박변이도 시간영역 특징과, 심박변이도 주파수영역 특징을, 통증 심도 그룹별 출력변수로 라벨링을 행하고, 통증 심도 그룹별 출력변수를 가진 특징벡터를 패턴분류기에 입력하여 기계 학습 패턴 분석을 행하는 것을 특징으로 한다.A signal preprocessing unit for amplifying a pulse wave received from the pulse wave sensor and removing noise and converting the pulse wave into a digital signal, And an arithmetic processing unit for receiving a pulse wave and including an average amplitude of a pulse wave and detecting an pulse wave time domain characteristic including an average amplitude of the pulse wave, wherein the arithmetic processing unit calculates, from the pulse wave signal received from the signal preprocessing unit, Detecting heart beat variability, detecting heart rate variability time domain features including the mean RR interval from heart beat variability, detecting heart rate variability frequency domain features including VLF intensity of 0.003-0.04 Hz of heart rate variability, and detecting Heart rate variability, time domain characteristics, heart beat variability, and frequency domain characteristics between 0 and 1 And labeling the normalized pulse wave time domain characteristic, the heartbeat mutation time domain characteristic, and the heartbeat mutation frequency domain characteristic as the output variable for each of the pain depth groups, and the characteristic vector having the output variable for each of the pain depth group is classified into the pattern classifier And the machine learning pattern analysis is performed.
연산처리부는 맥파 신호의 시간 영역 특징으로서, 맥파신호 평균진폭(Mean Amplitude), 맥파 상승 시간(Rise time), 맥파 하강 시간(Fall time), 평균 심박수(Average heart rate)을 구하고, 연산처리부는, 맥파센서로부터 수신되거나 또는 맥파센서로부터 수신되어 메모리부에 임시 저장된 맥파 신호에서, 각 주기의 R포인트(최대점)에서 연이은 다음 주기의 R포인트까지의 간격인 RR 간격(심박변이)을 구하고, 연산처리부는 심박변이도(HRV) 시간 영역 특징인, 평균 RR 간격(Mean RRI), 전체 RR 간격의 표준편차(SDNN), 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(rMSSD), 20ms를 초과하는 RR간격의 수(NN20), 50ms를 초과하는 RR간격의 수(NN50), 전체 RR간격 개수 중 20ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN20), 전체 RR 간격 개수 중 50ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN50)를 구한다. The arithmetic processing section obtains a pulse wave signal mean amplitude, a pulse wave rise time, a pulse wave fall time and an average heart rate as time domain characteristics of a pulse wave signal, (Heart beat variation) that is an interval from the R point (maximum point) of each cycle to the R point of the next cycle in the pulse wave signal received from the pulse wave sensor or received from the pulse wave sensor and temporarily stored in the memory section, The processor calculates the mean square of the mean of the mean RR interval (SD), the standard deviation of the total RR interval (SDNN), the mean square of the difference between adjacent RR intervals (rMSSD), which is a characteristic of the HRV time domain, The number of RR intervals (NN20) exceeding 50 ms, the number of RR intervals exceeding 50 ms (NN50), the ratio of the number of RR intervals exceeding 20 ms among the total number of RR intervals (pNN20) (PNN50).
연산처리부는,RR 간격 값들, 심박변이 값들에서 기저선 보정을 통해 RR 간격의 직류(DC) 값 제거하고, 2 Hz로 큐빅 보간(Cubic interpolation, 3차보간)을 행하고, 기저선 보정 및 큐빅 보간 단계에서 기저선 보정 및 큐빅 보간이 행하여진 RR 간격 값에, 50% 중첩되는 해밍 윈도우(50% overlapped Hamming window)를 적용하여 고속 퓨리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)를 행하고 주파수 영역으로 변환된 RR 간격 값들에서, 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징인, 0.003~0.04Hz의 아주 낮은 주파수대역(VLF) 강도, 0.04~0.15Hz의 저주파수대역(LF) 강도, 0.15~0.4Hz의 고주파수대역(HF) 강도, 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio)를 구한다.The arithmetic processing unit removes the DC value of the RR interval through the baseline correction at the RR interval values and the heartbeat deviation values, performs cubic interpolation (cubic interpolation) at 2 Hz, and performs the correction at the baseline correction and the cubic interpolation step Fast Fourier Transform (FFT) is performed by applying a 50% overlapped Hamming window to the RR interval values subjected to baseline correction and cubic interpolation, and the RR interval values converted into the frequency domain A very low frequency band (VLF) intensity of 0.003 to 0.04 Hz, a low frequency band (LF) intensity of 0.04 to 0.15 Hz, a high frequency band (HF) intensity of 0.15 to 0.4 Hz, Obtain the band intensity ratio (LF / HF ratio) of the frequency band high frequency.
본 발명의 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법은, 맥파 신호의 시간 영역 특징을 검출하고, 심박변이도(HRV)의 시간영역 특징과 주파수영역 특징들을 검출하고, 이들 특징들을 0와 1사이의 값을 갖도록 정규화하고, 정규화된 데이터를 통증 심도 그룹 별 출력변수로 라벨링을 행하고, 패턴분류기를 통해 기계 학습 패턴 분석을 행하여 통증 심도를 분류하여, 객관적이고 수치적이며 간단하면서 정확도가 높은 생체신호 기반 통증심도 분류 장치 및 방법을 제공한다.The method for classifying pain using pulse waves and heart beat variability according to the present invention detects time-domain characteristics of a pulse wave signal, detects time-domain features and frequency-domain features of heart beat variability (HRV) And classifying the pain intensity by performing machine learning pattern analysis through a pattern classifier to classify the normalized data as an output variable for each of the pain intensity groups and to classify the pain intensity as an objective, numerical, simple, and highly accurate biological signal based pain A depth classification apparatus and method are provided.
특히, 본 발명은 맥파 신호의 시간 영역 특징으로, 평균 신호 진폭, 평균 상승 시간, 평균 하강 시간, 평균 심박수를 구하고, 심박변이도 시간 영역 특징으로, 평균 RR 간격, SDNN, rMSSD, NN20, NN50, pNN20, pNN50를 구하고, 심박변이도의 주파수영역 특징으로, VLF성분, LF성분, HF성분, LF/HF를 검출하고, 이들 결과를, Multi-layer Perceptron Neural Network 기반의 패턴 분류기, Support Vector Machine(SVM: Radial Basis Function kernel) 기반의 패턴 분류기, Deep Belief Network 기반의 패턴 분류기를 사용하여 통증 심도를 분류함으로써, 정확도를 높였다.Particularly, the present invention is characterized in that the average signal amplitude, the average rise time, the average fall time, and the average heart rate are obtained and the average RR interval, SDNN, rMSSD, NN20, NN50, pNN20 , and pNN50 were obtained. The VLF component, the LF component, the HF component, and the LF / HF were detected using the frequency domain characteristics of heart beat variability, and these results were analyzed using a Support Vector Machine (SVM) Radial Basis Function kernel based pattern classifier and Deep Belief Network based pattern classifier to classify pain depth to improve accuracy.
도 1은 본 발명의 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류를 하기 위한 장치를 개략적으로 설명하는 블럭도이다.
도 2는 맥파 신호의 시간 영역 특징을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 도 1의 연산처리부(200)에서 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류를 행하는 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.1 is a block diagram schematically illustrating an apparatus for classifying pain using pulse waves and heart beat variability according to the present invention.
2 is a schematic diagram for explaining time-domain characteristics of a pulse wave signal.
3 is a schematic diagram for explaining the HRV frequency domain characteristic.
4 is a flowchart schematically illustrating a method of performing pain classification using pulse waves and heart beat variability in the
이하, 본 발명의 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 심도 분류 방법를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for classifying pain intensity using pulse waves and heart beat variability according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 심도 분류를 하기 위한 장치를 개략적으로 설명하는 블럭도로, 맥파검출부(100), 신호전처리부(120), 연산처리부(200), 출력부(250), 메모리부(270)을 포함한다.1 is a block diagram schematically illustrating an apparatus for classifying pain intensity using pulse waves and heartbeat variability according to the present invention. The pulse wave detector includes a pulse wave detecting unit 100, a signal preprocessing
맥파검출부(100)는 발광부(발광다이오드)(미도시)와 수광부(포토센서)(미도시)를 구비하며 인체의 소정위치(예를를어 손가락, 상완, 귓볼 등)에서 광용적맥파(이하 맥파라 함)를 검출한다. 경우에 따라서 맥파검출부(100) 대신에 심전도 검출부를 구비할 수도 있다.The pulse wave detecting unit 100 includes a light emitting diode (not shown) and a light receiving unit (not shown) ). The electrocardiogram detecting unit may be provided instead of the pulse-wave detecting unit 100 according to circumstances.
발광부(미도시)는 적색광(파장:650~750nm)과 적외(선)광(파장:850~1000nm)의 발광다이오드(LED)로 이루어질 수 있으며, 혈관에 적색광 또는 적외광을 출사한다. The light emitting unit (not shown) may be composed of red light (wavelength: 650 to 750 nm) and light emitting diode (LED) having infrared light (wavelength: 850 to 1000 nm) and emits red light or infrared light to the blood vessel.
수광부(미도시)는 포토 다이오드(Photo Diode) 또는 수광센서(광센서)로 이루어져, 혈관을 투과하거나 반사된 광, 즉, 적색광 또는 적외선광을 수광하고 이를 전기신호로 출력한다. The light receiving unit (not shown) comprises a photodiode or a light receiving sensor (light sensor), and receives light reflected or transmitted through the blood vessel, that is, red light or infrared light, and outputs it as an electric signal.
신호전처리부(120)은 상기 맥파검출부(100)에서 검출된 맥파에서 잡음을 제거하고 증폭하며, 디지탈신호로 변환하여 연산처리부(200)으로 전송한다.The signal preprocessing
연산처리부(200)는, 맥파신호 평균진폭(Mean Amplitude)을 포함하는 4개의 특징(파라미터)들로 이루어진 맥파 신호의 시간 영역 특징(파라미터)과, 평균 RR 간격(Mean RRI)을 포함하는 7개의 특징들로 이루어진 심박변이도(Heart Rate Variability, HRV) 시간 영역 특징과, 0.003~0.04Hz의 아주 낮은 주파수대역(VLF, Very low frequency) 강도를 포함하는 4개의 특징들로 이루어진 심박변이도(Heart Rate Variability, HRV) 주파수 영역 특징을 구한다. 이들 추출된 특징(특징벡터)은 전부 15개의 특징으로, 15개의 특징들은 피검자에 따라 편차가 있으므로, 이러한 편차를 없애기 위해 정규화하여 각 특징들이 0에서 1 의 범위의 값을 갖도록 정규화한다. 연산처리부(200)는, 정규화된 특징들, 즉, 정규화된 특징 벡터(입력 벡터)는 분류를 위해 출력 변수를 가져야 하며, 데이터, 즉, 정규화된 특징 벡터를 통증 심도 그룹 별 출력변수로 라벨링(즉, 정규화된 입력벡터들은 통증이 없는 휴식 상태는 0, 통증이 있는 상태를 1로 라벨링함)을 행하고, 라벨링이 행하여진 정규화된 특징 벡터를 패턴분류기(패턴 분류 알고리즘)를 통하여 기계 학습 패턴 분석을 행하여 통증 심도를 분류한다. 본 발명의 패턴분류기는 다층퍼셉트론 신경망(Multi-layer Perceptron Neural Network) 기반의 패턴 분류기와, 방사 기저 함수 커널(Radial Basis Function kernel)을 이용하는 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 기반의 패턴 분류기와, 심층 신뢰 신경망 (Deep Belief Network, DBN) 기반의 패턴 분류기를 이용하여 통증 심도 분류를 행한다.The
부연설명하면, 정규화된 특징 벡터(입력 벡터)는 분류를 위해 출력 변수를 가져야 한다. 숫자로 통증 상태(정도)를 표현하는 숫자등급 척도(NRS, Numeric Rating Scale)을 기반으로한 통증상태, 즉, 통증점수를 이용하여 통증 심도 그룹별 출력변수를 라벨링(명명)하여 통증 유/무에 따른 그룹으로 나눈다. 즉, 통증이 없는 휴식 상태는 0, 통증이 있는 상태를 1로 라벨링한다.In other words, the normalized feature vector (input vector) must have an output variable for classification. (NRS), which expresses the degree of pain (degree), is used to label the output variable for each pain intensity group using the pain score based on the numerical rating scale (NRS) . ≪ / RTI > That is, a painless rest state is labeled 0, and a painful state is labeled 1.
연산처리부(200)는 분류된 통증 심도를 출력부(270)로 출력한다. 출력부(270)는 모니터(미도시) 또는 프린터(미도시) 등일 수 있다.The arithmetic processing unit (200) outputs the classified pain intensity to the output unit (270). The
연산처리부(200)는 개인용 컴퓨터, 개인용 단말기, 마이크로프로세서, 마이크로 콘트롤러 등으로 이루어질 수 있다.The
연산처리부(200)에서 맥파 신호의 시간 영역 특징(파라미터), 심박변이도(Heart Rate Variability, HRV) 시간 영역 특징, 심박변이도(Heart Rate Variability, HRV) 주파수 영역 특징을 구하는 과정에 대해 이하에서 설명한다.A process of obtaining a time domain characteristic (parameter), a heart rate variability (HRV) time domain characteristic, and a heart rate variability (HRV) frequency domain characteristic of a pulse wave signal in the
도 2는 맥파 신호의 시간 영역 특징을 설명하기 위한 모식도로, Y축은 맥파의 크기를 나타내고, X축은 시간을 나타낸다.FIG. 2 is a schematic diagram for explaining time-domain characteristics of a pulse wave signal. The Y-axis represents the size of the pulse wave and the X-axis represents time.
맥파 신호의 시간 영역 특징으로서는, 도 2에서와 같은, 맥파신호 평균진폭(Mean Amplitude), 맥파 상승 시간(Rise time), 하강 시간(Fall time), 평균 심박수(Average heart rate)을 구한다. As the time domain characteristics of the pulse wave signal, the mean amplitude, pulse time, rise time, fall time, and average heart rate of the pulse wave signal as shown in FIG. 2 are obtained.
맥파신호 평균진폭에 대해서, 5분 동안 각 주기의 최대점(Peak)과 최소점(Valley)을 구하고, 최대점(Peak)과 최소점(Valley)의 사이 크기를 맥파신호 진폭으로 구하고, 5분동안 이들 각 주기의 맥파신호 진폭을 평균하여, 맥파신호 평균진폭(Mean Amplitude)을 구한다.Peak and minimum points of each cycle were obtained for 5 minutes for the average amplitude of the pulse wave signal and the amplitude between the maximum point and the minimum point was determined as the pulse wave signal amplitude, The pulse wave signal amplitudes of the respective periods are averaged to obtain the mean amplitude of the pulse wave signal (Mean Amplitude).
맥파 상승 시간에 대해서, 5분 동안 각 주기에서 최소점(Valley)에서 최대점(Peak)로 상승하는데 소요된 시간의 평균을 구한다.For pulse wave rise time, calculate the average of the time taken to rise from the minimum point (peak) to the maximum point (peak) in each cycle for 5 minutes.
맥파 하강 시간(Fall time)은 5분 동안 각 주기에서 최대점(Peak)에서 최소점(Valley)로 하강하는데 소요된 시간의 평균을 구한다, The pulse fall time is the average of the time taken to descend from the peak to the minimum point in each cycle for 5 minutes,
평균 심박수는 한 최대점(Peak)에서 연이은 다음 최대점(Peak)까지의 간격(즉, RR 간격)을 하나의 박동 구간으로 판단하며, 분당 심장박동의 수(beats per minute) 들을 구하여, 평균을 구한다.The average heart rate is determined by measuring the interval from one maximum peak (Peak) to the next maximum peak (Peak) (ie, the RR interval) as one beating interval, calculating the beats per minute, I ask.
심박변이도(Heart Rate Variability, HRV) 시간 영역 특징 추출로, 평균 RR 간격(Mean RRI), 전체 RR 간격의 표준편차(SDNN), 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(rMSSD), 20ms를 초과하는 RR간격의 수(NN20), 50ms를 초과하는 RR간격의 수(NN50), 전체 RR간격 개수 중 20ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN20), 전체 RR 간격 개수 중 50ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN50)를 구한다.The heart rate variability (HRV) time-domain feature extraction was performed using the mean RRI interval (SD), the standard deviation of the total RR interval (SDNN), the square root of the mean (rMSSD) of squared differences between adjacent RR intervals, The number of RR intervals exceeding 20 ms (NN20), the number of RR intervals exceeding 50 ms (NN50), the ratio of the total number of RR intervals exceeding 20 ms (pNN20), the total number of RR intervals exceeding 50 ms (PNN50) of the number of RR intervals.
평균 RR 간격(Mean RRI)는, 5분간 동안의 맥파에서, RR 간격(RRI, RR Interval)의 평균을 구한다. 즉, 평균 RR 간격(Mean RRI)은, R포인트(즉, 최대점)에서 연이은 R포인트까지의 간격의 평균을 구한다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.The mean RR interval (Mean RRI) is the average of the RR intervals (RRI, RR Interval) in the pulse wave for 5 minutes. That is, the mean RR interval (mean RRI interval) obtains an average of the intervals from the R point (i.e., the maximum point) to the consecutive R points. The equation is expressed as follows.
상기 수식에서 RR은 RR 간격을 말하며, 은 RR 간격의 평균을 말하며, N은 RR 수열 샘플수, 즉, RR간격의 개수를 나타내며, Mean RRI는 평균 RR 간격을 말한다.In the above equation, RR denotes an RR interval, Is the average of the RR intervals, N is the number of RR sequence samples, i.e., the number of RR intervals, and Mean RRI is the average RR interval.
전체 RR 간격의 표준편차(SDNN)은 5분간의 맥파에서, RR 간격(즉, R포인트에서 연이은 R포인트까지의 간격)의 표준편차이며, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.The standard deviation (SDNN) of the total RR interval is the standard deviation of the RR interval (that is, the interval from the R point to the consecutive R points) in the pulse wave of 5 minutes, which can be expressed by the following equation.
인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(rMSSD)는 5분간의 맥파에서, 인접한 RR 간격들의 차이의 제곱 평균에 대한 제곱근으로, 즉, 하나의 RR간격과, 연이은 RR간격의 차이를 구하고, 이를 제곱한 값의 평균에 대한 제곱근을 구한다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.The square root of the mean of the squared difference between adjacent RRs (rMSSD) is the square root of the mean square of the difference of adjacent RR intervals, ie, the difference between one RR interval and the subsequent RR interval And obtains the square root of the mean of the squared values. The equation is expressed as follows.
20ms를 초과하는 RR간격의 수(NN20)는 5분간의 맥파에서 RR 간격이 20ms를 초과하는 RR간격(RRI) 개수를 구하며, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.The number of RR intervals (NN20) exceeding 20 ms is obtained by counting the number of RR intervals (RRI) in which the RR interval exceeds 20 ms in a 5-minute pulse wave.
즉, RR 간격이 20ms를 초과하는 RR간격(RRI) 개수를 카운트한다.That is, the number of RR intervals (RRI) with the RR interval exceeding 20 ms is counted.
50ms를 초과하는 RR간격의 수(NN50)는 5분간의 맥파에서 RR 간격이 50ms를 초과하는 RR간격(RRI) 개수를 구하며, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.The number of RR intervals (NN50) in excess of 50 ms is calculated by the number of RR intervals (RRI) in which the RR interval exceeds 50 ms in the 5-minute pulse wave.
즉, RR 간격이 50ms를 초과하는 RR간격(RRI) 개수를 카운트한다.That is, the number of RR intervals (RRIs) whose RR intervals exceed 50 ms is counted.
전체 RR 간격 개수 중 20ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN20)은 5분간의 맥파에서, 전체 RR 간격 개수 중 20ms를 초과하는 RR간격의 수(NN20)의 비율로서, NN20을 퍼센트(%)의 형태로 나타낸 값이며, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.The ratio of the number of RR intervals exceeding 20 ms (pNN20) of the total number of RR intervals is the ratio of the number of RR intervals (NN20) exceeding 20 ms of the total number of RR intervals in a pulse wave of 5 minutes, And is expressed by the following equation.
전체 RR 간격 개수 중 20ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN50)은 5분간의 맥파에서, 전체 RR 간격 개수 중 NN50의 비율로서, NN50을 퍼센트(%)의 형태로 나타낸 값이며, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.The ratio of the number of RR intervals exceeding 20 ms (pNN50) of the total number of RR intervals is a ratio of NN50 among the total number of RR intervals in a pulse wave of 5 minutes, in the form of percent (%) of NN50. The following is displayed.
심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징 추출에 있어서, 주파수 영역의 심박변이도(HRV)를 해석하기 위해서는 HRV의 시계열 데이터를 주파수 영역으로의 변환 과정 필요한데, 이를 위해 우선 기저선 보정(Baseline detrend) 과정을 통해 RR 간격의 직류(DC) 값 제거하고, 주파수 분해능을 높이기 위하여 2 hz로 큐빅 보간(Cubic interpolation, 3차보간)을 행하고 주파수 누출(leakage) 효과를 약화시키기 위해 50% 중첩되는 해밍 윈도우(50% overlapped Hamming window)를 적용하여 각 위도우별로 고속 퓨리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)를 행하여 주파수 영역으로 변환하고, 변환된 주파수 영역에서의 HRV 특징 추출한다. In HRV frequency domain feature extraction, HRV time series data is transformed into frequency domain in order to analyze the HRV in the frequency domain. To do this, first, baseline detrend process is applied to RR 50% overlapped (50% overlapped) overlapping to reduce the direct current (DC) value of the interval and to perform frequency interpolation (Cubic interpolation) (Fast Fourier Transform) is performed for each window by applying a Hamming window to transform the frequency domain, and extract HRV features in the converted frequency domain.
도 3은 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징을 설명하기 위한 모식도이다. 도 3에서 Y축은 심박변이(HRV) 신호의 주파수 대역 강도를 나타내며, X축은 시간을 나타낸다.3 is a schematic diagram for explaining the HRV frequency domain characteristic. In Fig. 3, the Y axis represents the frequency band intensity of HRV signal, and the X axis represents time.
추출되는 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징은, 도 3에서와 같이, 0.003~0.04Hz의 아주 낮은 주파수대역(VLF, Very low frequency) 강도(PSD: Power Spectral Density), 0.04~0.15Hz의 저주파수대역(LF) 강도, 0.15~0.4Hz의 고주파수대역(HF) 강도, 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio)이다, 이들 주파수영역에서의 HRV 특징들은 각 주파수 영역별로 의미 있는 자율신경계의 활동을 나타내며, 통증구분 지표로 사용한다.The extracted HRV frequency domain characteristic is characterized by a very low frequency (VLF) power spectral density (PSD) of 0.003 to 0.04 Hz, a low frequency band of 0.04 to 0.15 Hz (LF) intensity, a high frequency band (HF) intensity of 0.15 to 0.4 Hz, and a low frequency band high frequency band intensity ratio (LF / HF ratio). HRV characteristics in these frequency regions indicate significant autonomic nervous system activity And is used as a pain classification index.
VLF (Very low frequency)의 강도(PSD)는 심박변이(HRV) 신호의 0.003~0.04Hz의 주파수 대역의 강도(PSD)로, 즉, VLF 강도는, 모든 RR간격 들에서의 0.003~0.04Hz의 주파수 강도라 할 수 있으며, 이는 교감신경의 부가적인 정보를 제공해주며, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.The intensity (PSD) of the very low frequency (VLF) is the intensity (PSD) in the frequency band of 0.003-0.04 Hz of the HRV signal, i.e. the VLF intensity is 0.003-0.04 Hz at all RR intervals Frequency intensity, which provides additional information on sympathetic nervous system, which can be expressed as follows.
상기 수식에서 VLF는 VLF에서의 PSD, 즉, 아주 낮은 주파수대역(VLF) 강도를 나타내며, PSD(x)는 심박변이(HRV) 신호의 파워 스팩트럼 밀도로, 즉 PSD(x)는 주파수가 x인 파워 스팩트럼 밀도를 말한다. PSD (x) is the power spectral density of the HRV signal, that is, PSD (x) is the frequency at which the frequency is x, and VLF represents the PSD at the VLF, i.e. the very low frequency band Power spectral density.
LF (low frequency)의 강도(PSD)는 심박변이(HRV) 신호의 0.04~0.15Hz의 저 주파수 대역의 강도(PSD)로, 즉, LF 강도는, 모든 RR간격 들에서의 0.04~0.15Hz의 주파수 강도라 할 수 있으며, 교감신경계와 부교감신경계의 활동을 동시에 반영하며, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.The intensity (PSD) of the LF (low frequency) is the intensity (PSD) of the low frequency band from 0.04 to 0.15 Hz of the HRV signal, i.e. the LF intensity is 0.04 to 0.15 Hz at all RR intervals Frequency intensity, and simultaneously reflects the activities of the sympathetic nervous system and parasympathetic nervous system.
상기 수식에서 LF는 LF에서의 PSD, 즉, 저 주파수대역(LF) 강도를 나타낸다.In the above equation, LF represents the PSD in the LF, that is, the low frequency band (LF) intensity.
HF (High frequency)의 강도(PSD)는 심박변이(HRV) 신호의 0.15~0.4Hz의 주파수 대역의 PSD로, 즉, HF 강도는, 모든 RR간격 들에서의 0.15~0.4Hz의 주파수 강도라 할 수 있으며, 이 주파수 대역은 호흡에 관련된 주파수대역(Respiratory band)으로, 즉, 호흡 활동과 관련있는 상대적인 고주파수 성분이다. HF의 PSD는 부교감신경계(미주신경)의 활동에 대한 지수이며, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.The intensity (PSD) of the HF (High frequency) is the PSD of the frequency band 0.15-0.4 Hz of the heart rate variation (HRV) signal, ie the HF intensity is the frequency intensity of 0.15-0.4 Hz at all RR intervals , Which is a respiratory band associated with respiration, that is, a relative high frequency component associated with respiratory activity. The PSD of HF is an index of the activity of the parasympathetic nervous system (vagus nerve), which can be expressed as follows.
상기 수식에서 HF는 HF에서의 PSD, 즉, 고 주파수대역(HF) 강도를 나타낸다.In the above equation, HF represents the PSD in HF, that is, the high frequency band (HF) intensity.
저주파수대역(LF)의 강도와 고 주파수대역(HF)의 강도로 자율신경계 두 계통(교감신경과 부교감신경)의 조절 정도와 균형 정도를 알 수 있다.The intensity of the low frequency band (LF) and the intensity of the high frequency band (HF) show the degree of control and balance of the two autonomic nervous systems (sympathetic and parasympathetic nerves).
저주파수대 고주파수 대역 강도비(LF/HF ratio)는 LF와 HF간의 비율로, 저주파수대 고주파수 대역 강도비(Ratio)는 교감 신경과 부교감 신경 사이의 전체적인 균형정도를 반영한다. 저주파수대 고주파수 대역 강도비(LF/HF ratio)는 교감 신경의 활동도에 비례하고 부교감 신경의 활동도에 반비례하며, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.The low frequency band high frequency band intensity ratio (LF / HF ratio) is a ratio between LF and HF, and the low frequency band high frequency band intensity ratio reflects the overall balance between sympathetic and parasympathetic nerves. The frequency ratio (LF / HF ratio) of the low frequency band and the high frequency band is proportional to the activity of the sympathetic nerve and inversely proportional to the activity of the parasympathetic nerve.
상기 수식에서 Ratio는 저주파수대 고주파수 대역 강도비를 나타낸다.In the above equation, Ratio represents a low frequency band high frequency band intensity ratio.
다음은 연산처리부(200)는 맥파 신호의 시간 영역 특징(파라미터), 심박변이도(Heart Rate Variability, HRV) 시간 영역 특징, 심박변이도(Heart Rate Variability, HRV) 주파수 영역 특징의 15가지 특징들을 정규화하는 과정을 설명한다.Next, the
즉, 맥파 신호의 시간 영역 특징(파라미터), 심박변이도(Heart Rate Variability, HRV) 시간 영역 특징, 심박변이도(Heart Rate Variability, HRV) 주파수 영역 특징은 각 특징마다 서로 다른 범위를 가지고 있으며, 또한, 각 피검자마다 편차를 가지고 있다. 따라서 각 특징마다 서로 다른 범위를 가짐과, 피검자마다 존재하는 편차를 보정하여, 통증 분류 시 특정한 특징 값에 영향을 받지 않도록 하기 위해서, 정규화 기법 사용한다. 추출된 모든 특징 벡터, 즉 15가지 특징을 가진 데이터는 다음 식과 같은 방법으로 0에서 1 의 범위로 정규화된다.That is, the time domain characteristics (parameter), the heart rate variability (HRV) time domain characteristics, and the heart rate variability (HRV) frequency domain characteristics of the pulse wave signal have different ranges for each feature, Each subject has a deviation. Therefore, a normalization technique is used to have different ranges for each feature, to correct deviations for each subject, and to avoid being influenced by specific feature values in pain classification. All extracted feature vectors, ie, data with 15 characteristics, are normalized to a range of 0 to 1 in the same manner as the following equation.
여기서, Draw(i)는 각 특징의 원래 데이터의 값, 즉, 맥파 신호의 시간 영역 특징들, 심박변이도(HRV) 시간 영역 특징들, 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징들 중의 하나의 특징의 값을 말한다. 맥파 신호의 시간 영역 특징들, 심박변이도(HRV) 시간 영역 특징들, 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징들은 전부 15개로, 이들 15개 특징을 소정의 순서로 나열할 때에, i번째 특징의 값들을 Draw(i)이라 할 수 있다. Dmax(i)는 i번째 특징 값 중에서 최대값을 나타내며, 즉, 각 특징별 최대값을 나타내며, Dmin(i)는 i번째 특징 값 중에서 최소값을 나타내며, 즉, 각 특징별 최소값을 나타내며, Dnormalization(i)은 정규화된 데이터, 즉, i번째 특징의 값인 Draw(i)을 정규화한 값으로, 즉, 각 특징을 정규화 한 값이다. 다시말해, i번째 특징이 VLF (Very low frequency)의 강도라 하면, VLF (Very low frequency)의 강도의 값들인 Draw(i)를 정규화하여 얻은 값들이 Dnormalization(i)이고, 정규화시 시 사용되는 값인 Dmax(i)는 VLF의 강도의 값들 중 최대값을 말하며, Dmin(i)은 VLF의 강도의 값들 중 최소값이다.Here, D raw (i) represents the value of the original data of each feature, i.e., the time domain characteristics of the pulse wave signal, the HRV time domain characteristics, the HRV frequency domain characteristics Value. (HRV) time domain features and HRV frequency domain features of the pulse wave signal are all 15, and when these 15 features are arranged in a predetermined order, the values of the i-th feature D raw (i). D min (i) represents the maximum value among the i-th feature values, that is, the maximum value for each feature, D min (i) represents the minimum value among the i-th feature values, D normalization (i) is normalized data, that is, a value obtained by normalizing D raw (i) which is a value of the i-th feature, that is, a value obtained by normalizing each feature. In other words, if the i-th characteristic is a very low frequency (VLF) intensity, values obtained by normalizing D raw (i), which are the values of the intensity of VLF (Very Low Frequency), are D normalization value used D max (i) means the maximum value among the values of the intensity of VLF, D min (i) are the smallest values of values of the intensity of VLF.
패턴분류기를 통한 기계 학습 패턴 분석에 있어서, 연산처리부(200)는 다층퍼셉트론 신경망(Multi-layer Perceptron Neural Network) 기반의 패턴 분류기와, 방사 기저 함수 커널(Radial Basis Function kernel)을 이용하는 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 기반의 패턴 분류기와, 심층 신뢰 신경망 (Deep Belief Network, DBN) 기반의 패턴 분류기를 이용하여 통증 심도 분류를 행한다. 즉, 통증 심도의 분류는 맥파와 심박변이도로부터 추출한 특징들을 통증 패턴 분류기의 입력으로 사용하여 다층퍼셉트론 신경망, 서포트 벡터 머신, 심층 신뢰 신경망을 이용한 기계 학습 패턴 분석을 통해 통증 심도를 분류한다.In the machine learning pattern analysis through the pattern classifier, the
다층퍼셉트론 신경망 (Multi-layer Perceptron Neural Network) 기반의 패턴 분류기는 서로 다른 분류에 속한 데이터를 분류하는 입력층, 은닉층, 출력층으로 구성된 기본적인 분류 모델로서, 역전파 알고리즘을 통해 주어진 입력 데이터에 따라 계산된 출력값과 목표값 간의 오차가 최소화되도록 연결가중치(weight)를 수정하면서 분류기 학습하여, 통증 심도 분류를 행한다. 즉, 다층퍼셉트론 신경망 패턴 분류기는 맥파와 심박변이도로부터 추출한 특징들을 입력층으로 놓고 통증 심도를 출력층으로 놓아 기계학습을 통해 출력값과 목표값 사이의 오차를 줄이는 방향으로 은닉층의 연결가중치를 계산하여 통증 심도의 패턴을 분류한다.A pattern classifier based on a Multi-layer Perceptron Neural Network is a basic classification model composed of an input layer, a hidden layer, and an output layer for classifying data belonging to different classes. Classifier learning is performed while modifying the connection weight so that the error between the output value and the target value is minimized, and the pain depth classification is performed. In other words, the multi-layer perceptron neural network pattern classifier puts the features extracted from the pulse wave and heart beat variability into the input layer and puts the pain depth into the output layer to calculate the connection weight of the hidden layer in the direction of reducing the error between the output value and the target value through machine learning. .
다층퍼셉트론 신경망 기반의 패턴 분류기는 널리 공지된 것으로, 상세한 설명은 생략한다. 예를들어, 국내 공개특허공보 제10-2011-0027916호 '퍼셉트론 인공신경망의 가중치 부여 장치와 이를 이용한 탐지 장치, 탐지 시스템 및 탐지 방법', 그리고 국내 공개특허공보 제10-2001-0047163호 '다층퍼셉트론 신경망회로의 학습방법' 등에 공개되어 있다.The pattern classifier based on the multilayer perceptron neural network is well known and its detailed description is omitted. For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0027916 'Perceptron Artificial Neural Network Weighting Apparatus and Detection Apparatus, Detection System and Detection Method Using It', and Korean Patent Laid-Open No. 10-2001-0047163 ' Learning method of perceptron neural network circuit '.
방사 기저 함수 커널(Radial Basis Function kernel)을 이용한 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 기반의 패턴 분류기는, 서로 다른 두 집단(class)의 데이터를 가장 잘 분류할 수 있는 최적의 초평면(Hyperplane)을 찾아 분류하는 모델로서, 널리 공지된 것으로, 상세한 설명은 생략한다. 예를들어 위키피디아 백과사전 등(https://en.wikipedia.org/wiki/Support_vector_machine, https://en.wikipedia.org/wiki/Radial_basis_function_kernel)에 공개되어 있다. 즉, 본 발명은, 서포트 벡터 머신 기반의 패턴 분류기는 고차원인 입력벡터를 감안하여 방사 기저 함수 커널(Radial Basis Function kernel)을 이용하였으며 맥파와 심박변이도로부터 추출한 특징들을 입력벡터로 놓고 두 가지 그룹으로 마진(Margin)을 최대화하여 나눌 수 있는 초평면(Hyperplane)의 법선 벡터의 최적값을 구하여 통증 심도의 패턴을 분류한다. 여기서 두 가지 그룹은 라벨링에 따른 두 그룹, 즉, 통증 유/무에 따른 그룹(다시말해, 통증이 있는 그룹과 통증이 없는 그룹)이다.The support vector machine (SVM) based pattern classifier using the Radial Basis Function kernel is an optimal hyperplane that best classifies data of two different classes, And is well known, and a detailed description thereof will be omitted. For example, the Wikipedia encyclopedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Support_vector_machine, https://en.wikipedia.org/wiki/Radial_basis_function_kernel) is available. That is, according to the present invention, the support vector machine-based pattern classifier uses a Radial Basis Function kernel in consideration of a high dimensional input vector, sets the features extracted from the pulse wave and heartbeat variability as input vectors, The optimum value of the normal vector of the hyperplane that maximizes the margin and divides the pattern of pain intensity is obtained. Here, the two groups are two groups according to labeling, namely groups according to pain / absence (that is, painful group and painless group).
심층 신뢰 신경망(Deep Belief Network, DBN) 기반의 패턴 분류기는 비지도(Unsupervised) 학습의 제한 볼츠만 머신(Restricted Boltzmann Machine, RBM)을 통해 지역 최적화가 발생하는 문제를 감소시키고, 역전파 알고리즘으로 분류오류를 최소화하는 방향으로 가중치를 조정하는 지도학습을 통해 PPG로부터 추출된 특징과 숫자등급척도(Numeric Rate Scale, NRS) 기반의 통증상태 간의 복잡한 비선형 관계를 모델링한다. 심층신뢰 신경망(DBN), 제한 볼츠만 머신(RBM) 등은 널리 공지된 것으로, 상세한 설명은 생략한다. 예를들어 위키피디아 백과사전 등(https://en.wikipedia.org/wiki/Deep_belief_network, https://en.wikipedi a.org/wiki/Restricted_Boltzmann_machine)에 공개되어 있다. 즉, 심층 신뢰 신경망(DBN) 기반의 패턴 분류기는 맥파와 심박변이도로부터 추출한 특징들을 입력층으로 이용하여 비지도 학습을 통해, 입력값만을 알고있다는 가정하에 연결가중치와 바이어스를 초기화 한 후 지도(Supervised) 학습을 통해 역전파 알고리즘으로 연결가중치의 오류를 최소화하는 방향으로 조정하여 통증 심도의 패턴을 분류한다.The pattern classifier based on Deep Belief Network (DBN) reduces the problem of local optimization through the Restricted Boltzmann Machine (RBM) of Unsupervised Learning, To model the complex nonlinear relationship between the features extracted from the PPG and the pain status based on the Numeric Rate Scale (NRS). Deep trust neural network (DBN), restricted Boltman machine (RBM), etc. are well known and will not be described in detail. For example, Wikipedia Encyclopedia, etc. (https://en.wikipedia.org/wiki/Deep_belief_network, https: //en.wikipedi a.org/wiki/Restricted_Boltzmann_machine) is available. In other words, the pattern classifier based on the deep trust neural network (DBN) uses the features extracted from the pulse wave and heartbeat variability as the input layer to initialize the connection weights and the biases based on the assumption that only the input values are known through the non- ) Learning to classify the patterns of pain intensity by adjusting the backward propagation algorithm to minimize errors of connection weights.
본 발명에서 통증의 분류는 추출한 특징들로부터 Multi-layer Perceptron Neural Network과, Support Vector Machine(SVM: Radial Basis Function kernel)과, Deep Belief Network의 기계 학습 패턴 분석을 통해 통증 심도 분류를 행한다.In the present invention, the classification of pain is performed by classifying the pain intensity by analyzing machine learning patterns of Multi-layer Perceptron Neural Network, Support Vector Machine (SVM), and Deep Belief Network from extracted features.
도 4는 도 1의 연산처리부(200)에서 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류를 행하는 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.4 is a flowchart schematically illustrating a method of performing pain classification using pulse waves and heart beat variability in the
맥파 신호의 시간 영역 특징 검출단계(S100)로, 연산처리부(200)는 신호전처리부(120)에서 수신된 또는 신호전처리부(120)에서 수신되어 메모리부(270)에 임시 저장된 맥파 신호에서, 맥파 신호의 시간 영역 특징인, 맥파신호 평균진폭(Mean Amplitude), 맥파 상승 시간(Rise time), 하강 시간(Fall time), 평균 심박수(Average heart rate)을 구한다. In the time domain feature detection step S100 of the pulse wave signal, the
RR 간격검출단계(S150)로, 맥파 신호의 시간 영역 특징 검출단계(S100) 후, 연산처리부(200)는, 신호전처리부(120)에서 수신된 또는 신호전처리부(120)에서 수신되어 메모리부(270)에 임시 저장된 맥파 신호에서, 각 주기의 R포인트(즉, 최대점)에서 연이은 다음 주기의 R포인트까지의 간격인 RR 간격, 즉, 심박변이를 구한다.After the time domain feature detection step S100 of the pulse wave signal is detected in the RR interval detection step S150, the
심박변이도 시간 영역 특징 추출단계(S200)로, 연산처리부(200)는 심박변이도(Heart Rate Variability, HRV) 시간 영역 특징인, 평균 RR 간격(Mean RRI), 전체 RR 간격의 표준편차(SDNN), 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(rMSSD), 20ms를 초과하는 RR간격의 수(NN20), 50ms를 초과하는 RR간격의 수(NN50), 전체 RR간격 개수 중 20ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN20), 전체 RR 간격 개수 중 50ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN50)를 구한다.In the heart rate variability time domain feature extraction step S200, the
기저선 보정 및 큐빅 보간 단계(S250)로, 연산처리부(200)는 RR 간격검출단계(S150)에서 구한 RR 간격 값들, 심박변이 값들에서 기저선 보정(Baseline detrend) 과정을 통해 RR 간격의 직류(DC) 값 제거하고, 주파수 분해능을 높이기 위하여 2 hz로 큐빅 보간(Cubic interpolation, 3차보간)을 행한다. In the baseline correction and cubic interpolation step S250, the
FFT단계(S300)로, 연산처리부(200)는 기저선 보정 및 큐빅 보간 단계(S250)에서 기저선 보정 및 큐빅 보간이 행하여진 RR 간격 값에, 50% 중첩되는 해밍 윈도우(50% overlapped Hamming window)를 적용하여 각 위도우별로 고속 퓨리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)를 행하여 주파수 영역으로 변환한다.In the FFT step S300, the
심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징 추출단계(S350)로, FFT단계(S300)에서 주파수 영역으로 변환된 RR 간격(심박 변이) 값들에서, 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징인, 0.003~0.04Hz의 아주 낮은 주파수대역(VLF, Very low frequency) 강도(PSD: Power Spectral Density), 0.04~0.15Hz의 저주파수대역(LF) 강도, 0.15~0.4Hz의 고주파수대역(HF) 강도, 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio)를 구한다.HRV frequency domain feature extraction step S350 is a step of extracting HRV frequency domain characteristics from 0.003 to 0.04 Hz in the RR interval (heart beat variation) values converted into the frequency domain in the FFT step S300 Very low frequency (VLF) power spectral density (PSD), low frequency band (LF) intensity of 0.04 to 0.15 Hz, high frequency band (HF) intensity of 0.15 to 0.4 Hz, band strength of low frequency band high frequency (LF / HF ratio).
여기서, 맥파 신호의 시간 영역 특징 검출단계(S100) 내지 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징 추출단계(S350)를 신호 검출단계라 할 수 있다.Here, the time domain feature detection step S100 to the HRV frequency domain feature extraction step S350 of the pulse wave signal may be referred to as a signal detection step.
정규화 단계(S400)로, 연산처리부(200)는, 맥파 신호의 시간 영역 특징 검출단계(S100)에서 구한 맥파 신호의 시간 영역 특징(파라미터), 심박변이도 시간 영역 특징 추출단계(S200)에서 구한 심박변이도(HRV) 시간 영역 특징, 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징 추출단계(S350)에서 구한 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징의 15가지 특징들의 데이터를 정규하여 이들 값이 0과 1 의 범위의 값을 갖도록 정규화한다.In the normalization step S400, the
라벨링 단계(S450)로, 연산처리부(200)는, 정규화 단계(S400)에서 정규화된 특징(특징 벡터)들을, 통증 심도 그룹 별 출력변수로 라벨링을 행한다. In the labeling step S450, the
통증심도분류 단계(S500)로, 연산처리부(200)는 라벨링 단계(S450)에서 라벨링이 행하여진 정규화된 특징 벡터를, 다층퍼셉트론 신경망(Multi-layer Perceptron Neural Network) 기반의 패턴 분류기와, 방사 기저 함수 커널(Radial Basis Function kernel)을 이용하는 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 기반의 패턴 분류기와, 심층 신뢰 신경망 (Deep Belief Network, DBN) 기반의 패턴분류기(패턴 분류 알고리즘)에 입력하여 기계 학습 패턴 분석을 행하여 통증 심도를 분류한다. 분류된 통증 심도를 출력부(270)로 출력한다.In the pain intensity classification step S500, the
본 발명은 이상에서 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 다음에 기재되는 청구범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.It is to be understood that the present invention is not limited by what has been described above and illustrated in the drawings, and those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible within the scope of the following claims.
100: 맥파검출부 120: 신호전처리부
200: 연산처리부 250: 출력부
270: 메모리부100: a pulse-wave detecting unit 120: a signal preprocessing unit
200: operation processing unit 250:
270:
Claims (15)
연산처리부는 상기 신호검출단계에서 검출된 맥파 시간영역 특징과, 심박변이도 시간영역 특징과, 심박변이도 주파수영역 특징을 0와 1사이의 값을 갖도록 정규화하는 정규화 단계;
연산처리부는 정규화단계에서 정규화된 맥파 시간영역 특징과, 심박변이도 시간영역 특징과, 심박변이도 주파수영역 특징을, 통증 심도 그룹별 출력변수로 라벨링을 행하는, 라벨링 단계;
연산처리부는 라벨링 단계에서 출력된 통증 심도 그룹별 출력변수를 가진 특징벡터를 패턴분류기에 입력하여 기계 학습 패턴 분석을 행하여 통증 심도를 분류하는, 통증심도 분류단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법.The arithmetic processing section detects a pulse-wave time-domain characteristic including an average amplitude of the pulse wave from the pulse wave signal received from the pulse-wave sensor, detects a heartbeat variation in the RR interval, and calculates a heartbeat- A signal detection step of detecting a heart rate variability frequency domain characteristic including a VLF intensity which is a frequency intensity of 0.003 to 0.04 Hz of a heartbeat variation;
A normalizing step of normalizing the pulse-wave time-domain characteristic, the heartbeat-variability time-domain characteristic, and the heartbeat-variability frequency-domain characteristic detected in the signal detection step so as to have a value between 0 and 1;
A labeling step of labeling the pulse wave time domain characteristic, the heartbeat mutation time domain characteristic, and the heartbeat mutation frequency domain characteristic normalized in the normalization step as an output variable for each pain intensity group in the normalization step;
The operation processing unit classifies the pain depth by inputting a feature vector having an output variable for each pain depth group output in the labeling step into a pattern classifier and performing a machine learning pattern analysis;
Wherein the method comprises classifying the at least one of the at least one heartbeat and the heartbeat.
연산처리부는, 맥파센서로부터 수신되거나 또는 맥파센서로부터 수신되어 메모리부에 임시 저장된 맥파 신호에서, 맥파 신호의 시간 영역 특징인, 맥파신호 평균진폭(Mean Amplitude), 맥파 상승 시간(Rise time), 맥파 하강 시간(Fall time), 평균 심박수(Average heart rate)을 구하는, 맥파 신호의 시간 영역 특징 검출단계;
맥파 신호의 시간 영역 특징 검출단계 후, 연산처리부는, 맥파센서로부터 수신되거나 또는 맥파센서로부터 수신되어 메모리부에 임시 저장된 맥파 신호에서, 각 주기의 R포인트(최대점)에서 연이은 다음 주기의 R포인트까지의 간격인 RR 간격(심박변이)을 구하는, RR 간격검출단계;
RR 간격검출단계 후, 연산처리부는 심박변이도(HRV) 시간 영역 특징인, 평균 RR 간격(Mean RRI), 전체 RR 간격의 표준편차(SDNN), 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(rMSSD), 20ms를 초과하는 RR간격의 수(NN20), 50ms를 초과하는 RR간격의 수(NN50), 전체 RR간격 개수 중 20ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN20), 전체 RR 간격 개수 중 50ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN50)를 구하는, 심박변이도 시간 영역 특징 추출단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법.2. The method of claim 1,
The arithmetic processing unit is configured to calculate a pulse wave signal average amplitude, a pulse wave rise time, a pulse wave signal, and a pulse wave signal, which are time-domain characteristics of the pulse wave signal received from the pulse wave sensor or received from the pulse wave sensor and temporarily stored in the memory unit, A time domain feature detection step of obtaining a fall time and an average heart rate of a pulse wave signal;
After the detection of the time-domain characteristic of the pulse wave signal, the calculation processing section calculates the R-point of the next cycle from the R-point (maximum point) of each cycle in the pulse wave signal received from the pulse wave sensor or received from the pulse- An RR interval detecting step of obtaining an RR interval (heart beat variation)
After the RR interval detection step, the arithmetic processing unit calculates the average square root of the mean of the values obtained by squaring the difference between the adjacent RR intervals, the mean RR interval (Mean RRI), the standard deviation (SDNN) of the total RR interval, the number of RR intervals exceeding 20 ms (NN20), the number of RR intervals exceeding 50 ms (NN50), the ratio of the total number of RR intervals exceeding 20 ms (pNN20), the total number of RR intervals Calculating a ratio (pNN50) of the number of RR intervals exceeding 50 ms in the time domain;
Wherein the method comprises classifying the at least one of the at least one heartbeat and the heartbeat.
연산처리부는, RR 간격검출단계에서 구한 RR 간격 값들, 심박변이 값들에서 기저선 보정을 통해 RR 간격의 직류(DC) 값 제거하고, 2 Hz로 큐빅 보간(Cubic interpolation, 3차보간)을 행하는, 기저선 보정 및 큐빅 보간 단계;
연산처리부는, 기저선 보정 및 큐빅 보간 단계에서 기저선 보정 및 큐빅 보간이 행하여진 RR 간격 값에, 50% 중첩되는 해밍 윈도우(50% overlapped Hamming window)를 적용하여 고속 퓨리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)를 행하는, FFT단계;
FFT단계에서 주파수 영역으로 변환된 RR 간격 값들에서, 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징인, 0.003~0.04Hz의 아주 낮은 주파수대역(VLF) 강도, 0.04~0.15Hz의 저주파수대역(LF) 강도, 0.15~0.4Hz의 고주파수대역(HF) 강도, 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio)를 구하는, 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징 추출단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법.3. The method of claim 2,
The arithmetic processing unit performs a linear interpolation process for removing the DC value of the RR interval by baseline correction from the RR interval values and the heartbeat deviation values obtained in the RR interval detection step and performing a Cubic interpolation (cubic interpolation) at 2 Hz. Correction and cubic interpolation steps;
The arithmetic processing unit applies Fast Fourier Transform (FFT) by applying a 50% overlapped Hamming window to the RR interval value subjected to baseline correction and cubic interpolation in the baseline correction and cubic interpolation steps, The FFT step;
A very low frequency band (VLF) intensity of 0.003 to 0.04 Hz, a low frequency band (LF) intensity of 0.04 to 0.15 Hz, a frequency of 0.15 (HRV) frequency domain feature extraction step of obtaining a high frequency band (HF) intensity of ~0.4 Hz and a band intensity ratio (LF / HF ratio) of a low frequency band high frequency;
Further comprising the steps of: detecting the heartbeat and heartbeat.
연산처리부는 맥파신호의 한 주기에서 최대점(Peak)과 최소점(Valley)의 사이 크기를 맥파신호 진폭으로 구하고, 5분 동안 맥파신호 진폭들의 평균을 맥파신호 평균진폭으로서 구하며,
맥파 상승 시간은, 5분 동안 맥파신호의 각 주기에서 최소점(Valley)에서 최대점(Peak)로 상승하는데 소요된 시간의 평균이며,
맥파 하강 시간은 5분 동안 각 주기에서 최대점(Peak)에서 최소점(Valley)로 하강하는데 소요된 시간의 평균인 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법.3. The method of claim 2,
The arithmetic processing unit obtains the amplitude between the maximum point Peak and the minimum point in one cycle of the pulse wave signal by the amplitude of the pulse wave signal and obtains the average of the pulse wave signal amplitudes as the pulse wave signal average amplitude for five minutes,
The pulse wave rise time is an average of the time taken to rise from the minimum point (valley) to the maximum point (peak) in each cycle of the pulse wave signal for 5 minutes,
Wherein the pulse wave falling time is an average of a time taken to fall from a peak point to a minimum point in each cycle for 5 minutes.
연산처리부는 맥파 신호의 시간 영역 특징들, 심박변이도(HRV) 시간 영역 특징들, 및 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징들의 정규화(Dnormalization(i))는
(단, Draw(i)는 맥파 신호의 시간 영역 특징들, 심박변이도(HRV) 시간 영역 특징들, 및 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징들 중의 하나의 특징 값 중에 하나 이고, Dmax(i)는 Draw(i)를 나타내는 특징들중 최대값을 나타내며, Dmin(i)은 Draw(i)를 나타내는 특징들중 최소값을 나타냄)
에 의해 구하여지는 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법.The method of claim 3,
The arithmetic processing unit calculates the time domain characteristics of the pulse wave signal, the heart rate variability (HRV) time domain features, and the HRV frequency domain features (D normalization (i))
(Note that, D raw (i) is the time domain of the pulse wave signal characteristics, heart rate variability (HRV) time domain features, and heart rate variability (HRV) is the one of the frequency-domain features, one feature value of, D max (i ) Represents the maximum value among the characteristics representing D raw (i), and D min (i) represents the minimum value among the characteristics representing D raw (i)).
And the heartbeat and heartbeat variability.
통증심도분류 단계는, 연산처리부가 라벨링 단계에서 라벨링이 행하여진 정규화된 특징 벡터를, 다층퍼셉트론 신경망(Multi-layer Perceptron Neural Network) 기반의 패턴 분류기와, 방사 기저 함수 커널(Radial Basis Function kernel)을 이용하는 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 기반의 패턴 분류기와, 심층 신뢰 신경망 (Deep Belief Network, DBN) 기반의 패턴분류기에 입력하여 기계 학습 패턴 분석을 행하여 통증 심도를 분류하는 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법.The method of claim 3,
In the pain intensity classification step, the normalized feature vector, which is labeled in the operation unit labeling step, is divided into a pattern classifier based on a Multi-layer Perceptron Neural Network and a Radial Basis Function kernel A pattern classifier based on a support vector machine (SVM) and a pattern classifier based on a Deep Belief Network (DBN) to classify the pain intensity by performing machine learning pattern analysis. Methods of pain classification using pulse and heart rate variability.
맥파센서로부터 수신된 맥파를 증폭하고 잡음을 제거하며, 디지탈신호로 변환하는 신호전처리부와,
신호전처리부로부터 맥파를 수신하여 맥파의 평균 진폭을 포함하는 맥파 시간영역 특징을 검출하는 연산처리부를 포함하는 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류장치에 있어서, 연산처리부는,
신호전처리부로부터 수신된 맥파신호로부터, RR 간격인 심박변이를 검출하고, 심박변이로부터, 평균 RR 간격을 포함하는 심박변이도 시간영역 특징을 검출하고, 심박변이의 0.003~0.04Hz의 주파수 강도인 VLF 강도를 포함하는 심박변이도 주파수영역 특징를 검출하고,
검출된 맥파 시간영역 특징과, 심박변이도 시간영역 특징과, 심박변이도 주파수영역 특징을 0와 1사이의 값을 갖도록 정규화하고,
정규화된 맥파 시간영역 특징과, 심박변이도 시간영역 특징과, 심박변이도 주파수영역 특징을, 통증 심도 그룹별 출력변수로 라벨링을 행하고,
통증 심도 그룹별 출력변수를 가진 특징벡터를 패턴분류기에 입력하여 기계 학습 패턴 분석을 행하는 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 장치.A pulse wave sensor that includes a light emitting diode and a photosensor and detects a pulse wave that is an optical pulse wave,
A signal preprocessing unit for amplifying the pulse wave received from the pulse wave sensor, removing noise, and converting it into a digital signal;
And an arithmetic processing unit for receiving a pulse wave from the signal preprocessing unit and detecting a pulse wave time-domain characteristic including an average amplitude of the pulse wave, the arithmetic processing unit comprising:
The heart rate variability time domain characteristic including the average RR interval is detected from the heart beat variation and the VLF of 0.003 to 0.04 Hz of the heart beat variation is detected from the pulse wave signal received from the signal preprocessing section, Detecting a heart rate variability frequency domain characteristic including intensity,
Normalizing the detected pulse-wave time-domain characteristics, heartbeat-mutation time-domain characteristics, heartbeat-mutation frequency-domain characteristics to have values between 0 and 1,
The normalized pulse wave time domain characteristic, the heartbeat mutation time domain characteristic, and the heartbeat mutation frequency domain characteristic are labeled with the output variable for each pain intensity group,
And a feature vector having an output variable for each of the pain intensity groups is input to a pattern classifier to perform a machine learning pattern analysis.
연산처리부는 맥파 신호의 시간 영역 특징으로서, 맥파신호 평균진폭(Mean Amplitude), 맥파 상승 시간(Rise time), 맥파 하강 시간(Fall time), 평균 심박수(Average heart rate)을 구하고,
연산처리부는, 맥파센서로부터 수신되거나 또는 맥파센서로부터 수신되어 메모리부에 임시 저장된 맥파 신호에서, 각 주기의 R포인트(최대점)에서 연이은 다음 주기의 R포인트까지의 간격인 RR 간격(심박변이)을 구하고,
연산처리부는 심박변이도(HRV) 시간 영역 특징인, 평균 RR 간격(Mean RRI), 전체 RR 간격의 표준편차(SDNN), 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(rMSSD), 20ms를 초과하는 RR간격의 수(NN20), 50ms를 초과하는 RR간격의 수(NN50), 전체 RR간격 개수 중 20ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN20), 전체 RR 간격 개수 중 50ms를 초과하는 RR간격 개수의 비율(pNN50)를 구하는 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 장치.9. The method of claim 8,
The arithmetic processing unit obtains the mean amplitude of the pulse wave signal, the Rise time, the pulse wave fall time, and the average heart rate as the time domain characteristics of the pulse wave signal,
The arithmetic processing section calculates an RR interval (heartbeat variation), which is an interval from the R point (maximum point) of each cycle to the R point of the next cycle in the pulse wave signal received from the pulse wave sensor or received from the pulse wave sensor and temporarily stored in the memory section, ≪ / RTI >
The arithmetic processing unit calculates the average square root of the mean square value (rMSSD) of the value obtained by squaring the difference between the adjacent RR intervals, the standard deviation (SDNN) of the total RR interval, the mean RR interval (mean RRI) The number of RR intervals (NN20) exceeding 50 ms, the number of RR intervals (NN50) exceeding 50 ms, the ratio of the number of RR intervals exceeding 20 ms among the total number of RR intervals (pNN20), the number of RR And a ratio (pNN50) of the number of intervals is obtained.
RR 간격 값들, 심박변이 값들에서 기저선 보정을 통해 RR 간격의 직류(DC) 값 제거하고, 2 Hz로 큐빅 보간(Cubic interpolation)을 행하고,
기저선 보정 및 큐빅 보간 단계에서 기저선 보정 및 큐빅 보간이 행하여진 RR 간격 값에, 50% 중첩되는 해밍 윈도우(50% overlapped Hamming window)를 적용하여 고속 퓨리에 변환(FFT)를 행하고
주파수 영역으로 변환된 RR 간격 값들에서, 심박변이도(HRV) 주파수 영역 특징인, 0.003~0.04Hz의 아주 낮은 주파수대역(VLF) 강도, 0.04~0.15Hz의 저주파수대역(LF) 강도, 0.15~0.4Hz의 고주파수대역(HF) 강도, 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio)를 구하는 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 장치.10. The image processing apparatus according to claim 9,
(DC) value of the RR interval is removed from the RR interval values and the heartbeat deviation values by baseline correction, Cubic interpolation is performed at 2 Hz,
Fast Fourier transform (FFT) is performed by applying a 50% overlapped Hamming window to the RR interval value subjected to baseline correction and cubic interpolation in the baseline correction and cubic interpolation steps
A very low frequency band (VLF) intensity of 0.003 to 0.04 Hz, a low frequency band (LF) intensity of 0.04 to 0.15 Hz, a frequency of 0.15 to 0.4 Hz (LF / HF ratio) of the high frequency band (HF) intensity of the low frequency band and the high frequency band (HF) intensity of the low frequency band high frequency of the pulse wave.
라벨링 단계에서, 통증 심도 그룹별 출력변수는, 숫자등급 척도(NRS)의 통증점수로 나타내는 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 장치.The method according to claim 6,
Wherein the output variable for each pain intensity group is represented by a pain score of a numeric grade scale (NRS) in a labeling step.
통증 심도 그룹별 출력변수는, 통증이 없는 휴식 상태를 나탄내는 '0'과, 통증이 있는 상태를 나타내는 '1' 중 하나를 나타내는 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 장치.12. The method of claim 11,
Wherein the output variable for each of the pain intensity groups represents one of a '0' indicating a rest state without pain and a '1' indicating a state having a pain.
다층퍼셉트론 신경망 기반의 패턴 분류기는, 라벨링이 행하여진 정규화된 특징 벡터를 입력층으로 놓고, 통증 심도를 출력층으로 놓으며, 기계학습을 통해 출력값과 목표값 사이의 오차를 줄이는 방향으로 은닉층의 연결가중치를 계산하여 통증 심도의 패턴을 분류하는 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법.12. The method of claim 11,
The multi-layer perceptron neural network-based pattern classifier places the labeled normalized feature vector as an input layer, sets the pain depth as an output layer, and uses the machine learning to reduce the connection weight of the hidden layer in the direction of reducing the error between the output value and the target value And calculating a pattern of pain intensity according to the heart rate variability.
방사 기저 함수 커널을 이용하는 서포트 벡터 머신 기반의 패턴 분류기는, 라벨링이 행하여진 정규화된 특징 벡터를 입력벡터로 놓고, 통증이 없는 그룹과 통증이 있는 그룹으로 이루어진 두 가지 그룹으로, 마진(Margin)을 최대화하여 나눌 수 있는 초평면(Hyperplane)의 법선 벡터의 최적값을 구하여 통증 심도의 패턴을 분류하는 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법.12. The method of claim 11,
A support vector machine based pattern classifier using a radial basis kernel is a set of two groups of painless and painful groups of labeled normalized feature vectors as input vectors and a margin And calculating an optimal value of a normal vector of a hyperplane that can be maximized and divided to classify a pattern of pain intensity.
심층 신뢰 신경망(DBN) 기반의 패턴 분류기는,
라벨링이 행하여진 정규화된 특징 벡터들을 입력층으로 이용하여, 비지도 학습을 통해, 입력값만을 알고 있다는 가정하에, 연결가중치와 바이어스를 초기화한 후 지도(Supervised) 학습을 통해 역전파 알고리즘으로 연결가중치의 오류를 최소화하는 방향으로 조정하여 통증 심도의 패턴을 분류하는 것을 특징으로 하는, 맥파 및 심박변이도를 이용한 통증 분류 방법.12. The method of claim 11,
A deep class trust neural network (DBN)
Using the normalized feature vectors subjected to labeling, the connection weight and bias are initialized with the assumption that only the input value is known through the non-mapping learning using the input layer, and then the connection weighting and the bias are initialized by the supervised learning, Wherein the pattern of the pain intensity is classified by classifying the pattern of the pain intensity into the direction of minimizing the error of the heart.
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