KR20190113552A - Passive arrhythmias detection apparatus and method based on photoplethysmogram(ppg) inter-beat intervals and morphology - Google Patents

Passive arrhythmias detection apparatus and method based on photoplethysmogram(ppg) inter-beat intervals and morphology Download PDF

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KR20190113552A
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리펑 미아오
만만 장
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Abstract

A method for event detection in a user-wearable device includes the steps of: receiving, from a first sensor implemented in the user-wearable device, photoplethysmogram (PPG) signals; processing, at a processor, the PPG signals to obtain PPG signal samples; detecting, at the processor, beats in the PPG signal samples; dividing the PPG signal samples into PPG signal segments; extracting at least one inter-beat interval (IBI) feature in each PPG signal segment; classifying, at the processor, each PPG signal segment using the extracted IBI feature associated with the PPG signal segment and using a machine learning model; in response to the classifying, generating, at the processor, an event prediction result for the PPG signal segment based on the extracted IBI feature; and displaying the event prediction result at the user-wearable device. In another embodiment, the method further includes extracting morphology-based features.

Description

PPG IBI 및 모폴로지를 기반으로 하는 수동 부정맥 감지 장치 및 방법{PASSIVE ARRHYTHMIAS DETECTION APPARATUS AND METHOD BASED ON PHOTOPLETHYSMOGRAM(PPG) INTER-BEAT INTERVALS AND MORPHOLOGY}PASSIVE ARRHYTHMIAS DETECTION APPARATUS AND METHOD BASED ON PHOTOPLETHYSMOGRAM (PPG) INTER-BEAT INTERVALS AND MORPHOLOGY}

본 발명은 의료 모니터링 장치 및 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 부정맥을 감지하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a medical monitoring apparatus and method, and more particularly to a system and method for detecting arrhythmia.

부정맥 또는 불규칙한 심장 박동으로도 알려진 심장 부정맥은 심장 박동이 불규칙하거나, 너무 빠르거나, 너무 느린 상태의 그룹이다. 대부분의 부정맥은 심각하지 않지만 어떤 것들은 사람이 뇌졸중이나 심부전과 같은 합병증에 걸리기 쉽게 만들 수 있다. 다른 것들은 심장 마비를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 심방 세동(Artial Fibrillation, AFib)은 가장 일반적인 심장 부정맥 중 하나이며, 심박 세동의 존재는 잠재적으로 심각한 건강 위험을 초래할 수 있다. 전통적으로, 심장 부정맥은 심전도(electrocardiogram, ECG) 또는 홀터 모니터(holter monitor)에 의해 감지된다.Cardiac arrhythmias, also known as arrhythmias or irregular heartbeats, are groups in which the heartbeat is irregular, too fast or too slow. Most arrhythmia is not serious, but some things can make a person more prone to complications such as stroke or heart failure. Others can cause heart attacks. For example, atrial fibrillation (AFib) is one of the most common cardiac arrhythmias, and the presence of cardiac fibrillation can potentially pose serious health risks. Traditionally, cardiac arrhythmias are detected by electrocardiograms (ECGs) or holter monitors.

ECG 측정은 환자에게 부착되는 다수의 전극을 갖는 정교한 감지 장치를 필요로 하며, 능동적인 인간 참여를 필요로 한다. 일반적으로, ECG 측정은 환자가 증상을 나타낸 이후에 진단 목적으로만 수행된다. PPG(Photoplethysmogram)는 부정맥 감지에서 ECG의 대안으로써 설명되어 왔다. 그러나, 심장 부정맥에 대한 일부 통상적인 PPG 측정 기술은 5초와 20초 사이의 윈도우와 같은 평균 심박수를 사용하는 심장 박동 또는 심박수 감지에 주로 의존한다. 평균 심장 박동의 변화 그 자체는 부정맥에 대한 믿을 수 있을 만한 신호가 아니다.ECG measurements require sophisticated sensing devices with multiple electrodes attached to the patient and require active human participation. In general, ECG measurements are performed only for diagnostic purposes after the patient has exhibited symptoms. Photoplethysmogram (PPG) has been described as an alternative to ECG in arrhythmia detection. However, some conventional PPG measurement techniques for cardiac arrhythmias rely primarily on heart rate or heart rate detection using average heart rate, such as a window between 5 and 20 seconds. Changes in the average heart rate itself are not reliable signals for arrhythmia.

심장 부정맥을 검출하는 다른 PPG 기반 방법들은 민감도 및 특이성이 낮다. 또한, 일부 방법들은 측정을 수행하기 위해 30초의 연속적인 PPG 신호와 같은 PPG 신호의 큰 연속적인 청크를 필요로 한다.Other PPG based methods for detecting cardiac arrhythmias have low sensitivity and specificity. In addition, some methods require large continuous chunks of PPG signals, such as 30 seconds of continuous PPG signals, to perform measurements.

본 발명은 상술된 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로써, 본 발명의 목적은수동 부정맥 및 무증상 부정맥 감지를 가능하게 하는 PPG 기반 부정맥 감지 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above technical problem, and an object of the present invention is to provide a PPG-based arrhythmia detection apparatus and method that enables manual and asymptomatic arrhythmia detection.

본 발명은 예를 들어 도면들 중 적어도 하나와 연결되어 아래에서 설명되거나 도시되는 것처럼 부정맥 감지를 위한 장치 및 발명을 개시한다. 부정맥 감지를 위한 장치 및 발명은 청구항들에서 더 완전하게 설명된다.The present invention discloses an apparatus and invention for arrhythmia detection, for example as described or shown below in connection with at least one of the figures. Apparatus and invention for arrhythmia detection are described more fully in the claims.

보여지는 실시 예의 상세한 설명뿐만 아니라 본 발명의 장점들, 일면들 및 새로운 특징들은 아래의 설명 및 도면으로부터 더욱 완전하게 이해될 것이다.Advantages, aspects and novel features of the present invention as well as the detailed description of the embodiments shown will be more fully understood from the following description and drawings.

본 발명의 실시 예에 따른 사용자 웨어러블 장치에서 이벤트 감지를 위한 방법은 사용자 웨어러블 장치에서 구현되는 제 1 센서로부터 PPG(photoplethysmogram) 신호들을 수신하는 단계, 프로세서에서 PPG 신호 샘플들을 얻기 위해 PPG 신호들을 처리하는 단계, 프로세서에서 PPG 신호 샘플들 내의 박동을 감지하는 단계, PPG 신호 샘플들을 PPG 신호 세그먼트들로 분할하는 단계, PPG 신호 세그먼트들 각각에서 적어도 하나의 IBI(inter-beat interval) 특징을 추출하는 단계, 프로세서에서, PPG 신호 세그먼트들 각각과 관련된 추출된 IBI 특징을 사용하고 머신 러닝 모델을 사용하여 PPG 신호 세그먼트들 각각을 분류하는 단계, 분류하는 단계에 응답하여, 프로세서에서, 추출된 IBI 특징에 기초하여 PPG 신호 세그먼트들 중 하나의 PPG 신호 세그먼트에 대한 이벤트 예측 결과를 생성하는 단계 및 사용자 웨어러블 장치에서 이벤트 예측 결과를 표시하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a method for event detection in a user wearable device includes receiving photoplethysmogram (PPG) signals from a first sensor implemented in the user wearable device, and processing the PPG signals to obtain PPG signal samples in a processor. Detecting a pulsation in the PPG signal samples at the processor, dividing the PPG signal samples into PPG signal segments, extracting at least one inter-beat interval (IBI) feature from each of the PPG signal segments, At the processor, using the extracted IBI feature associated with each of the PPG signal segments and classifying each of the PPG signal segments using a machine learning model, in response to the classifying, at the processor, based on the extracted IBI feature Generates event prediction results for one PPG signal segment in one of the PPG signal segments. In step and user wearable device, which comprises a step of displaying the event predictions.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 사용자 웨어러블 장치에서 이벤트 감지를 위한 방법은 사용자 웨어러블 장치에서 구현되는 제 1 센서로부터 PPG(photoplethysmogram) 신호들을 수신하는 단계, 프로세서에서 PPG 신호 샘플들을 얻기 위해 PPG 신호들을 처리하는 단계, 프로세서에서 PPG 신호 샘플들 내의 박동을 감지하는 단계, PPG 신호 샘플들을 PPG 신호 세그먼트들로 분할하는 단계, PPG 신호 세그먼트들 각각에서 PPG 신호 샘플들의 통계적 특성들 또는 PPG 신호 샘플들의 파형 특성들과 관련된 적어도 하나의 모폴로지 기반 특징을 추출하는 단계, 프로세서에서, PPG 신호 세그먼트들 각각과 관련된 추출된 모폴로지 기반 특징을 사용하고 머신 러닝 모델을 사용하여 PPG 신호 세그먼트들 각각을 분류하는 단계, 분류하는 단계에 응답하여, 프로세서에서, 추출된 모폴로지 기반 특징에 기초하여 이벤트 예측 결과를 생성하는 단계 및 사용자 웨어러블 장치에서 이벤트 예측 결과를 표시하는 단계를 포함한다. According to another embodiment of the present invention, a method for event detection in a user wearable device includes receiving PPG signals from a first sensor implemented in the user wearable device, and processing the PPG signals to obtain PPG signal samples in a processor. Detecting a pulsation in the PPG signal samples at the processor, dividing the PPG signal samples into PPG signal segments, statistical properties of the PPG signal samples or waveform characteristics of the PPG signal samples in each of the PPG signal segments. Extracting at least one morphology-based feature associated with the processor; classifying, classifying each of the PPG signal segments using the extracted morphology-based feature associated with each of the PPG signal segments and using a machine learning model In response, at the processor, the extracted polo Based on the basis of the characteristic includes the step of displaying the predicted result on the event step and a user wearable device, which generates an event predictions.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 장치는 PPG 신호들을 측정하도록 구성되는 제 1 센서를 포함하는 센서 모듈 및 프로세서를 포함한다. 프로세서는 PPG 신호 샘플들을 획득하고 PPG 신호 샘플들 내의 박동을 감지하고 PPG 신호 샘플들을 PPG 신호 세그먼트들로 분할하기 위해 PPG 신호들을 처리하도록 구성되는 데이터 처리 모듈, PPG 신호 세그먼트들 각각에서의 적어도 하나의 IBI의 특징을 추출하도록 구성되는 IBI 감지 모듈, PPG 신호 세그먼트들 각각에서의 적어도 하나의 모폴로지 기반 특징을 추출하도록 구성되는 모폴로지 감지 모듈 및 세그먼트와 관련된 추출된 IBI의 특징 및 추출된 모폴로지 기반 특징을 사용하고 머신 러닝 모델을 사용하여 PPG 신호 세그먼트들 각각을 분류하도록 구성되는 분류 모듈을 포함하고, 분류 모듈은 추출된 IBI의 특징 및 추출된 모폴로지 기반 특징에 기초하여 이벤트 예측 결과를 생성한다. An apparatus according to another embodiment of the present invention includes a sensor module and a processor including a first sensor configured to measure PPG signals. The processor is configured to process PPG signals to obtain PPG signal samples, detect a pulsation in the PPG signal samples, and divide the PPG signal samples into PPG signal segments, at least one in each of the PPG signal segments. Using an IBI sensing module configured to extract features of the IBI, a morphology sensing module configured to extract at least one morphology based feature in each of the PPG signal segments and an extracted IBI feature and an extracted morphology based feature associated with the segment And a classification module configured to classify each of the PPG signal segments using a machine learning model, the classification module generating event prediction results based on the extracted IBI features and the extracted morphology based features.

본 발명의 실시 예에 따른 PPG 기반 부정맥 감지 장치는 짧은 PPG 신호 세그먼트들을 이용하여 정확한 부정맥 정보를 추출하도록 구성된다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 수동 부정맥 및 무증상 부정맥 감지가 가능하게 된다. PPG-based arrhythmia detection apparatus according to an embodiment of the present invention is configured to extract the accurate arrhythmia information using short PPG signal segments. Therefore, according to an embodiment of the present invention, passive arrhythmias and asymptomatic arrhythmias can be detected.

본 발명의 다양한 실시 예들이 이하의 상세한 설명 및 수반되는 도면들에서 개시된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 사용자 웨어러블 장치의 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 사용자 웨어러블 장치에서 부정맥을 감지하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 4는 ECG 신호 및 PPG 신호의 예시적인 신호 파형을 도시한다.
도 5는 PPG 신호 샘플들의 시퀀스의 예시적인 신호 파형을 도시한다.
도 6은 심방 세동을 갖는 일련의 PPG 신호 샘플들의 예시적인 신호 파형을 도시한다.
도 7은 심방 세동이 있는 PPG 신호들 및 정상 동방결절 리듬을 갖는 PPG 신호들의 IBI의 연속 차이의 제곱 평균 제곱근의 히스토그램을 도시하는 도표이다.
도 8은 심방 세동이 PPG 신호들 및 정상 동방결절 리듬이 있는 PPG 신호들의 IBI의 멀티스케일 샘플 엔트로피 분석의 히스토그램을 도시하는 도표이다.
도 9는 정상 동방결절 및 심방 세동에 대한 곡선 아래의 면적의 표준 편차의 히스토그램을 나타내는 도표이다.
도 10은 긴 꼬리 특징들을 보여주는 일련의 PPG 신호 샘플들의 예시적인 신호 파형을 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따름 모바일 장치와 통신하는 사용자 웨어러블 장치를 도시한다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 클라우드 서버와 통신하는 사용자 웨어러블 장치를 도시한다.
Various embodiments of the invention are disclosed in the following description and the accompanying drawings.
1 illustrates an electronic device according to an embodiment of the present disclosure.
2 is a block diagram of a user wearable device according to an exemplary embodiment.
3 is a flowchart illustrating a method of detecting arrhythmia in a user wearable device according to an exemplary embodiment of the present invention.
4 shows exemplary signal waveforms of an ECG signal and a PPG signal.
5 shows an example signal waveform of a sequence of PPG signal samples.
6 shows an example signal waveform of a series of PPG signal samples with atrial fibrillation.
FIG. 7 is a plot showing the histogram of the root mean square of the successive differences in the IBI of PPG signals with atrial fibrillation and PPG signals with normal orbital nodal rhythm.
8 is a plot showing a histogram of multiscale sample entropy analysis of IBI of atrial fibrillation PPG signals and PPG signals with normal orbital nodule rhythm.
9 is a plot showing the histogram of the standard deviation of the area under the curve for normal isotopes and atrial fibrillation.
10 shows an example signal waveform of a series of PPG signal samples showing long tail features.
11 illustrates a user wearable device communicating with a mobile device according to an embodiment of the present disclosure.
12 illustrates a user wearable device communicating with a cloud server according to an embodiment of the present disclosure.

본 발명은 프로세스; 장치; 시스템; 물질의 조성; 컴퓨터 판독 저장 매체 상에 구현된 컴퓨터 프로그램 제품; 및/또는 프로세서에 결합된 메모리에 저장되거나 프로세서에 결합된 메모리에 의해 제공되는 명령을 실행하도록 구성되는 프로세서 장치 또는 하드웨어 프로세서와 같은 프로세서를 포함하는 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 본 명세서에서, 이러한 구현들 또는 여기에서 개시되는 임의의 다른 형태는 기술들로 지칭될 수 있다. 일반적으로, 개시된 프로세스의 단계들의 순서는 본 발명의 범위 내에서 변경될 수 잇다. 달리 언급하지 않는 한, 작업을 수행하도록 구성된 것으로써 설명되는 프로세서 또는 메모리와 같은 구성 요소는 주어진 시간에 작업을 수행하도록 일시적으로 구성되는 일반적인 구성 요소 또는 작업을 수행하도록 생산된 특정 구성 요소로써 구현될 수 있다. 여기에서 사용되는 용어 '프로세서'는 컴퓨터 프로그램 명령과 같은 데이터를 처리하기 위해 구성된 하나 이상의 장치들, 회로들 및/또는 프로세싱 코어들을 지칭할 수 있다.The present invention is a process; Device; system; Composition of the substance; A computer program product implemented on a computer readable storage medium; And / or a processor, such as a processor device or a hardware processor, configured to execute instructions stored in memory coupled to the processor or provided by the memory coupled to the processor. In this specification, such implementations or any other form disclosed herein may be referred to as techniques. In general, the order of the steps of the disclosed process may be changed within the scope of the present invention. Unless stated otherwise, a component such as a processor or memory that is described as being configured to perform a task may be implemented as a general component that is temporarily configured to perform a task at a given time or as a specific component produced to perform a task. Can be. The term processor, as used herein, may refer to one or more devices, circuits, and / or processing cores configured for processing data, such as computer program instructions.

본 발명의 하나 이상의 실시 예들의 상세한 설명은 본 발명의 원리를 설명하는 첨부되는 도면과 함께 아래에 제공된다. 본 발명은 이러한 실시 예들과 관련하여 설명되지만, 본 발명은 어떤 실시 예로도 한정되지 않는다. 본 발명은 많은 대안들, 수정들, 등가물들을 포함한다. 다수의 특정 세부 사항들은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 아래의 설명에서 설명된다. 이 세부 사항들은 예시의 목적을 위해 제공되고, 본 발명은 이러한 특정 세부 사항들의 일부 또는 전부 없이 청구항들에 따라 실시될 수 있다. 명료성의 목적을 위해, 본 발명과 관련된 기술 영역에서 공지된 기술 자료는 본 발명이 불필요하게 불명료하게 되지 않도록 상세하게 설명되지 않았다. DETAILED DESCRIPTION A detailed description of one or more embodiments of the invention is provided below in conjunction with the accompanying drawings that illustrate the principles of the invention. The invention is described in connection with these embodiments, but the invention is not limited to any embodiment. The invention includes many alternatives, modifications, and equivalents. Numerous specific details are set forth in the following description to provide a thorough understanding of the present invention. These details are provided for the purpose of illustration, and the invention may be practiced according to the claims without some or all of these specific details. For the purpose of clarity, technical material known in the technical area related to the present invention has not been described in detail so as not to unnecessarily obscure the present invention.

본 발명의 실시 예들에서, 사용자 웨어러블 장치에서 구현되는 부정맥 감지 시스템 및 방법은 PPG(photoplethysmogram) 신호들의 IBI(inter-beat interval) 특징들 및/또는 beat-by-beat(이하, 박동 변화)의 형태학적 특징들을 분석함으로써 PPG 신호들을 사용하여 고정밀 심장 부정맥 감지를 제공한다. 일부 실시 예에서, 부정맥 감지 시스템 및 방법은 부정맥을 감지하고 불규칙하게 사용자의 PPG 파형의 불규칙한 IBI 특징들 및/또는 박동 변화의 형태학적 특징들을 분석하기 위해 PPG 신호들의 세그먼트들을 처리한다. 일 실시 예에서, 부정맥 감지 시스템 및 방법은 짧은 PPG 신호 세그먼트들에서 IBI 정보 및/또는 박동 변화의 형태학정 정보를 관찰한다. PPG 기반 부정맥 감지 시스템 및 방법은 통상적인 PPG 심박수 측정 방법에서 일반적으로 거부되는 PPG 신호 정보를 포함하여, 짧은 PPG 신호 세그먼트들로부터 정확한 부정맥 정보를 추출하도록 구성된다. 일부 실시 예에서, PPG 기반 부정맥 감지 시스템 및 방법은 종래의 심박수 기반 감지 방법에 비해 개선된 감지 정확도, 감도 및 특이도를 제공한다. 중요하게도, PPG 기반 부정맥 감지 시스템 및 방법은 수동 및 무증상 부정맥 감지를 가능하게 한다. 즉, 부정맥 감지는 사용자가 부정맥을 나타내는 증상을 나타내거나 경험하기 전에 수행될 수 있다. In embodiments of the present invention, an arrhythmia detection system and method implemented in a user wearable device may be in the form of inter-beat interval (IBI) characteristics of photoplethysmogram (PPG) signals and / or beat-by-beat. Analyzing the medical features provides high precision cardiac arrhythmia detection using PPG signals. In some embodiments, the arrhythmia detection system and method processes segments of PPG signals to detect arrhythmia and to irregularly analyze irregular IBI features and / or morphological features of the pulsation change of the user's PPG waveform. In one embodiment, the arrhythmia detection system and method observes IBI information and / or morphological information of pulsating changes in short PPG signal segments. PPG-based arrhythmia detection systems and methods are configured to extract accurate arrhythmia information from short PPG signal segments, including PPG signal information that is generally rejected in conventional PPG heart rate measurement methods. In some embodiments, PPG-based arrhythmia detection systems and methods provide improved detection accuracy, sensitivity, and specificity compared to conventional heart rate-based detection methods. Importantly, PPG-based arrhythmia detection systems and methods enable manual and asymptomatic arrhythmia detection. That is, arrhythmia detection may be performed before the user exhibits or experiences symptoms that indicate arrhythmia.

특히, 종래의 부정맥 감지 기술들은 심장 박동 정보의 박동 간격들(interbeat intervals)의 통계적인 분포에만 전적으로 의존하고 심장 박동 신호에 존재할 수 있는 형태학적 정보에는 의존하지 않는다. 본 개시의 일부 측면에서, 본 발명의 부정맥 감시 시스템 및 방법은 PPG 신호들의 형태학적 특징들의 분석을 포함하고, 따라서 생리학적 환경에도 존재하는 PPG 신호에서 이용 가능한 형태학적 정보로부터 이익을 얻는다. In particular, conventional arrhythmia detection techniques rely solely on the statistical distribution of interbeat intervals of heartbeat information and not on the morphological information that may be present in the heartbeat signal. In some aspects of the present disclosure, the arrhythmia monitoring system and method of the present invention includes an analysis of the morphological features of PPG signals, and thus benefits from the morphological information available in the PPG signal that is also present in the physiological environment.

본 발명에서, PPG는 광학적으로 획득한 혈량계를 말한다. 혈량계는 신체 기관에서의 체적 측정기이다. PPG는 흔히 피부를 밝혀주고 빛의 흡수의 변화를 측정하는 맥박 산소 측정기를 사용하여 얻을 수 있다. 종래의 맥박 산소 측정기는 심장이 주변으로 혈액을 펌프하여 피부에서 압력 맥박을 일으키는 심장 사이클의 결과로써 피부의 진피 및 피하 조직으로 혈액의 관류를 모니터링한다. 압력 맥박으로 인한 체적 변화는 발광 다이오드로부터의 빛으로 피부를 밝힌 다음 포토다이오드로 전송되거나 반사되는 빛의 양을 측정함으로써 감지된다. PPG 기반 감지의 이점은 참가자의 적극적인 노력 없이 소비자 레벨의 웨어러블 장치에서 PPG 신호들을 쉽게 기록하고 모니터링할 수 있다는 것이다. 이 이점은 입수 가능한 웨어러블 장치들 및 스마트 폰들과 함께 수동 심장 부정맥 모니터링 및 감지를 가능하게 할 수 있다. In the present invention, PPG refers to an optically obtained blood flow meter. Blood meters are volumetric meters in body organs. PPG is often obtained using pulse oximeters that light up the skin and measure changes in light absorption. Conventional pulse oximeters monitor the perfusion of blood into the dermis and subcutaneous tissue of the skin as a result of the cardiac cycle where the heart pumps blood to the periphery, causing a pressure pulse on the skin. Volume changes due to pressure pulses are detected by illuminating the skin with light from the light emitting diodes and then measuring the amount of light that is transmitted or reflected to the photodiode. The advantage of PPG-based detection is that PPG signals can be easily recorded and monitored on consumer-level wearable devices without the active effort of participants. This advantage may enable manual cardiac arrhythmia monitoring and detection along with available wearable devices and smartphones.

본 발명의 실시 예들에서, 본 발명의 PPG 기반 부정맥 감지 시스템 및 방법은 PPG 신호들의 짧은 이산 세그먼트들을 사용하고 짧은 PPG 신호 세그먼트들에 대해 하나 이상의 신호 분석을 수행하여 심장 부정맥(cardiac or heart arrhythmia)을 감지한다. 일 실시 예에서, 시스템은 각 PPG 신호 세그먼트에 포함된 PPG 박동의 IBI의 분포의 통계적인 규칙성을 분석한다. 다른 실시 예에서, 시스템은 각 PPG 신호 세그먼트에 포함된 PPG 박동의 모폴리지 기반 특징들을 분석한다. 일부 실시 예들에서, 시스템은 각 PPG 신호 세그먼트로부터 추출된 인접한 PPG 박동의 모폴리지 기반 특징들 사이의 유사성 또는 모폴로지 특성들의 통계적인 분포를 분석할 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 시스템은 두 세트-즉, 부정맥을 감지하기 위해 분석되는 IBI 특성들 및 모폴로지 특성들-의 분석을 모두 수행한다.In embodiments of the present invention, the PPG-based arrhythmia detection system and method of the present invention uses short discrete segments of PPG signals and performs one or more signal analysis on short PPG signal segments to remove cardiac or heart arrhythmia. Detect. In one embodiment, the system analyzes the statistical regularity of the distribution of the IBI of the PPG beats contained in each PPG signal segment. In another embodiment, the system analyzes the morphology based features of the PPG beats included in each PPG signal segment. In some embodiments, the system can analyze the statistical distribution of similarity or morphology characteristics between morphology based features of adjacent PPG beats extracted from each PPG signal segment. In another embodiment, the system performs analysis of both sets, i.e., IBI characteristics and morphology characteristics, which are analyzed to detect arrhythmia.

따라서, 일부 실시 예들에서, PPG 기반 부정맥 감지 시스템 및 방법은 단지 PPG 신호 세그먼트들의 IBI 특징들을 분석하거나 PPG 신호 세그먼트의 박동 간격 모폴로지 기반 특징들을 분석함으로써 고정밀 심장 부정맥 감지를 제공한다. 몇몇 예들에서, PPG 신호 세그먼트들의 박동 간격의 형태학적 특징들과 관련된 정보는 감지 정확도를 증가시키기 위해 IBI 특징들을 기반으로 하는 분석에 추가될 수 있다. Thus, in some embodiments, the PPG based arrhythmia detection system and method provides high precision cardiac arrhythmia detection by only analyzing the IBI characteristics of the PPG signal segments or analyzing the pulsating interval morphology based features of the PPG signal segment. In some examples, information related to the morphological features of the beat interval of PPG signal segments may be added to an analysis based on IBI features to increase sensing accuracy.

본 설명에서, 'IBI 특징들' 또는 '모폴리지 기반 특징들'에서 사용되는 '특징'이라는 용어는 파형 형태, 파형의 특성들, 파형 품질 및 통계적 특성들 또는 속성들, 측정된 특징들 또는 속성들 또는 파생된 특징들 또는 속성들을 모두 지칭한다. 예로서, IBI 특성들은 IBI의 통계적 분포를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 모폴로지 특징들은 인접한 PPG 박동 사이의 파형 유사성을 포함할 수 있다. 모폴로지 특징들은 또한 특정 형태학적 특성들의 통계적 분포를 포함할 수 있다. In the present description, the term 'feature' used in 'IBI features' or 'morphology based features' refers to waveform shape, waveform characteristics, waveform quality and statistical characteristics or properties, measured features or Refers to all attributes or derived features or attributes. As an example, the IBI characteristics may comprise a statistical distribution of the IBI. As another example, morphology features may include waveform similarity between adjacent PPG beats. Morphological features may also include a statistical distribution of certain morphological characteristics.

다른 실시 예들에서, 본 발명의 PPG 기반 부정맥 감지 시스템 및 방법은 감지 정확도를 향상시키기 위해 ECG(electrocardiogram) 신호를 사용하여 PPG 신호를 조정한다. 일 실시 예에서, ECG 신호는 IBI 특징 분석에서 감지된 박동의 시간 간격을 적응적으로 조정하는데 사용된다. 다른 실시 예에서, ECG 신호는 감지 정확도를 증가시키기 위해 분류하는 동안 결정 임계치를 적응적으로 조정하는데 사용된다. In other embodiments, the PPG-based arrhythmia detection system and method of the present invention uses an electrocardiogram (ECG) signal to adjust the PPG signal to improve detection accuracy. In one embodiment, the ECG signal is used to adaptively adjust the time interval of the beats detected in the IBI feature analysis. In another embodiment, the ECG signal is used to adaptively adjust decision thresholds during classification to increase detection accuracy.

본 발명의 PPG 기반 부정맥 감지 시스템 및 방법은 PPG를 사용하여 종래 부정맥 감지 방법들에 비해 많은 이점을 실현한다. 예를 들어, 본 발명의 PPG 기반 부정맥 감지 시스템은 많은 짧은 PPG 신호 세그먼트들을 분석할 수 있고 긴 연속적인 PPG 세그먼트를 요구하지 않도록 구현된다. 예로서, 길이가 2~15초인 다양한 PPG 신호 세그먼트들의 정보/특징들은 통계적 평가 및 분류를 위해 집계될 수 있다. 짧은 PPG 신호 세그먼트들은 일부 종래 시스템들에서 요구되는 30초 신호 세그먼트보다 훨씬 더 빈번하게 사용할 수 있다. 두 번째, 본 발명의 PPG 기반 부정맥 감지 시스템은 평균 심박수 정보만을 사용하는 종래 시스템들보다 더 정확한 감지를 제공한다. 본 발명의 PPG 기반 부정맥 감지 시스템은 부정맥의 특성들을 보다 잘 나타내어 감지 성능을 현저히 향상시킬 수 있는 IBI 및 박동 간격 모폴로지 특징들을 사용한다.The PPG-based arrhythmia detection system and method of the present invention realizes many advantages over conventional arrhythmia detection methods using PPG. For example, the PPG-based arrhythmia detection system of the present invention can be implemented to analyze many short PPG signal segments and not to require long continuous PPG segments. As an example, information / features of various PPG signal segments that are 2-15 seconds in length may be aggregated for statistical evaluation and classification. Short PPG signal segments may be used much more frequently than the 30 second signal segment required in some conventional systems. Second, the PPG-based arrhythmia detection system of the present invention provides more accurate detection than conventional systems using only average heart rate information. The PPG-based arrhythmia detection system of the present invention employs IBI and rhythm interval morphology features that can better represent the characteristics of the arrhythmia and significantly improve detection performance.

본 발명의 예시적인 실시 예에서, PPG 기반 부정맥 감지 시스템 및 방법은 PPG 센서를 포함하는 손목 기반 웨어러블 장치에 구현된다. 사용자 또는 피험자는 손목 밴드식 웨어러블 장치를 연속하여 착용하고 시스템은 감지되는 부정맥에 대한 알림을 제공한다. 일부 실시 예들에서, 손목 기반 웨어러블 장치는 착용자가 정지 상태에 있는지를 연속하여 판별하는데 사용되는 가속도계를 포함한다. 일 실시 예에서, 사용자가 정지 상태에 있을 때, PPG 신호를 측정하기 위해 PPG 광 센서가 활성화된다. PPG 신호는 착용자가 부정맥을 앓는지를 판별하기 위한 일련의 핵심 지표들에서 관찰된다. 다른 실시 예들에서, PPG 광 센서는 연속적인 측정을 하고, 가속도계는 PPG 기반 부정맥 감지 시스템에 모션 표시 신호를 제공한다. PPG 기반 부정맥 감지 시스템은 PPG 신호들을 처리하고 PPG 신호의 정확도에 영향을 줄 수 있는 높은 강도의 모션과 관련된 PPG 신호의 일부를 삭제할 수 있다. In an exemplary embodiment of the present invention, a PPG-based arrhythmia detection system and method is implemented in a wrist-based wearable device that includes a PPG sensor. The user or subject wears a wristband wearable device continuously and the system provides notification of the detected arrhythmia. In some embodiments, the wrist based wearable device includes an accelerometer that is used to continuously determine whether the wearer is stationary. In one embodiment, the PPG light sensor is activated to measure the PPG signal when the user is at a standstill. PPG signals are observed in a series of key indicators for determining whether a wearer suffers from arrhythmia. In other embodiments, the PPG optical sensor makes continuous measurements and the accelerometer provides a motion indication signal to the PPG based arrhythmia detection system. PPG-based arrhythmia detection systems can process PPG signals and eliminate some of the PPG signals associated with high intensity motion that can affect the accuracy of the PPG signals.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치를 도시한다. 도 1을 참조하면, 사용자 웨어러블 장치일 수 있는 전자 장치(100)는 디스플레이(160), 프로세서(130), 센서 모듈(150), 배터리(도시되지 않음), 밴드(140) 및 걸쇠(150)를 갖는다. 밴드(140)는 손목 주위에 감싸질 수 있고, 사용자 웨어러블 장치(100)는 걸쇠(142)를 사용하여 손목에 고정될 수 있다. 센서 모듈(150)은 하나 이상의 센서들(152, 156) 및 로컬 프로세서(154)를 포함할 수 있다. 로컬 프로세서(154)는 센서 모듈에 대한 제어 기능을 구현하고 감지된 신호의 처리 또는 사전 처리를 수행 할 수도 있다. 프로세서(130)는 사용자 웨어러블 장치에 대한 제어 기능을 구현하고 감지된 신호에 대한 추가 신호 처리 기능을 수행할 수도 있다. 로컬 프로세서(154) 또는 프로세서(130)는 또한 진단 프로세서로 지칭 될 수 있다.1 illustrates an electronic device according to an embodiment of the present disclosure. Referring to FIG. 1, the electronic device 100, which may be a user wearable device, includes a display 160, a processor 130, a sensor module 150, a battery (not shown), a band 140, and a latch 150. Has The band 140 may be wrapped around the wrist, and the user wearable device 100 may be fixed to the wrist using the clasp 142. Sensor module 150 may include one or more sensors 152, 156 and a local processor 154. The local processor 154 may implement a control function for the sensor module and perform processing or preprocessing of the detected signal. The processor 130 may implement a control function for the user wearable device and perform an additional signal processing function on the detected signal. Local processor 154 or processor 130 may also be referred to as a diagnostic processor.

사용자 웨어러블 장치(100)가 손목에 착용될 수 있지만, 본 발명의 다양한 실시 예들이 여기에 제한될 필요는 없다. 또한, 사용자 웨어러블 장치(100)는 신체의 일부분에 예를 들어, 팔(팔뚝, 팔꿈치 또는 상부 암)에, 다리에, 가슴에, 머리띠처럼 머리에, '초커'처럼 목에, 귀에 착용되도록 설계될 수 있다. 사용자 웨어러블 장치(100)는 예를 들어 스마트 폰, 랩탑 또는 병원 또는 의사 사무실에서의 다양한 의료 장치와 같은 다른 전자 장치들과 통신할 수 있다.Although the user wearable device 100 may be worn on the wrist, various embodiments of the present disclosure need not be limited thereto. In addition, the user wearable device 100 is designed to be worn on a portion of the body, for example, on the arm (forearm, elbow or upper arm), on the legs, on the chest, on the head like a headband, on the neck, like a choker, on the ear Can be. The user wearable device 100 may communicate with other electronic devices, such as, for example, a smartphone, laptop or various medical devices in a hospital or doctor's office.

디스플레이(160)는 사용자 및/또는 다른 사람들이 볼 수 있도록 사용자의 신체로부터 모니터링된 생리 신호들을 출력할 수 있다. 모니터링 되는 생리 신호들은 종종 생체 신호 또는 생체 인식 데이터로 지칭된다. 모니터링된 생체 신호는 예를 들어 심장(맥박) 속도, 맥박 모폴로지(형태), 맥박 간격(IBI), 호흡(breathing) 속도 및 혈압일 수 있다. 디스플레이(160)는 또한 예를 들어 상태 및 진단 결과뿐만 아니라 사용자 웨어러블 장치(100)의 사용 또는 다른 측정 장치들의 사용에 있어서 사용자 또는 다른 사람들에게 명령을 출력할 수 있다.Display 160 may output monitored physiological signals from the user's body for the user and / or others to see. Monitored physiological signals are often referred to as bio signals or biometric data. Monitored biosignals can be, for example, heart rate (pulse rate), pulse morphology (type), pulse interval (IBI), breathing rate and blood pressure. The display 160 may also output commands to the user or others, for example in the use of the user wearable device 100 or the use of other measurement devices, as well as status and diagnostic results.

프로세서(130)는 센서 모듈(150) 내의 센서들로부터 모니터링되거나 감지되는 신호들을 수신한다. 예를 들어, 센서들(152, 156)은 사용자 웨어러블 장치(100)가 사용자에 의해 착용될 때 사용자의 손목으로부터 신호를 획득한다. 본 발명의 실시 예에서, 센서 모듈(150)은 생체생리학적 센서인 센서(152)를 포함한다. 일 실시 예에서, 생체생리학적 센서는 PPG 센서이다. 다른 실시 예에서, 센서 모듈(150)은 관성 측정 센서인 제 2 센서(156)를 더 포함한다. 일 실시 예에서, 관성 측정 센서는 가속도계이다. 센서 모듈(150)은 센서들(152, 156)을 제어하고 또한 센서들에 의해 감지된 신호를 처리하기 위한 프로세서(154)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(154)는 센서(152, 156)에 의해 모니터링 된 신호들을 분해 한 다음 분해된 신호를 재구성할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시 예는 또한 프로세서(154)의 기능들을 수행하는 프로세서(130)를 가질 수 있다. 본 발명의 다양한 실시 예는 또한 상이한 수의 센서들을 가질 수 있다.The processor 130 receives signals monitored or detected from sensors in the sensor module 150. For example, the sensors 152, 156 acquire a signal from the wrist of the user when the user wearable device 100 is worn by the user. In an embodiment of the invention, the sensor module 150 includes a sensor 152 that is a biophysiological sensor. In one embodiment, the biophysiological sensor is a PPG sensor. In another embodiment, the sensor module 150 further includes a second sensor 156 that is an inertial measurement sensor. In one embodiment, the inertial measurement sensor is an accelerometer. The sensor module 150 may include a processor 154 for controlling the sensors 152 and 156 and for processing the signals sensed by the sensors. For example, processor 154 may disassemble signals monitored by sensors 152 and 156 and then reconstruct the disassembled signals. Various embodiments of the present disclosure may also have a processor 130 that performs the functions of the processor 154. Various embodiments of the present invention may also have different numbers of sensors.

일부 실시 예들에서, 센서 (152)는 사용자의 심장 박동 속도 또는 심장 맥박 형태와 같은 심장 관련 생리학적 정보를 연속적으로 또는 주기적으로 모니터링하는데 사용되는 PPG 센서이다. 한편, 센서(156)는 지속적으로 또는 주기적으로 사용자의 모션 정보를 모니터링하기 위해 사용되는 가속도계이다. 센서 모듈(150)은 예를 들어 사용자의 온도를 측정하기 위한 온도계와 같은 다른 센서들을 포함할 수 있다.In some embodiments, sensor 152 is a PPG sensor used to continuously or periodically monitor cardiac related physiological information such as a user's heart rate or heart pulse form. On the other hand, the sensor 156 is an accelerometer used for continuously or periodically monitoring the motion information of the user. Sensor module 150 may include other sensors, such as, for example, a thermometer for measuring a user's temperature.

사용자 웨어러블 장치(100)는 프로세서(130)에서 본 발명의 PPG 기반 부정맥 감지 시스템을 구현한다. 일부 실시 예들에서, PPG 기반 부정맥 감지 시스템은 PPG 신호들을 짧은 PPG 신호 세그먼트들로 분할하기 위한 신호 처리 모듈을 포함하고, 모니터링된 신호에서 심장 부정맥의 존재 확률을 측정하고 PPG 신호 세그먼트들을 평가하기 위한 머신 러닝 네트워크를 포함한다.The user wearable device 100 implements the PPG-based arrhythmia detection system of the present invention in the processor 130. In some embodiments, the PPG-based arrhythmia detection system includes a signal processing module for dividing the PPG signals into short PPG signal segments, and a machine for measuring the probability of the presence of cardiac arrhythmias in the monitored signal and evaluating the PPG signal segments. It includes a running network.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 사용자 웨어러블 장치의 블록도를 도시한다. 도 2를 참조하면, 사용자 웨어러블 장치(100)는 센서 모듈(150), 프로세서(130), 디스플레이(160) 및 다른 구성 요소들로 전력을 공급하기 위한 배터리(170)를 포함한다. 프로세서(130)는 디스플레이(160) 상에 제공된 출력을 제어한다. 디스플레이(160)는 또한 예를 들어 버튼들, 다이얼들, 터치 감지 스크린 및 마이크로폰과 같은 입력 장치들(미도시)을 포함 할 수 있다.2 is a block diagram of a user wearable device according to an exemplary embodiment. Referring to FIG. 2, the user wearable device 100 includes a battery 170 for supplying power to the sensor module 150, the processor 130, the display 160, and other components. Processor 130 controls the output provided on display 160. Display 160 may also include input devices (not shown) such as, for example, buttons, dials, a touch sensitive screen, and a microphone.

본 발명의 실시 예들에서, 센서 모듈(150)은 사용자의 생체 신호를 측정하기 위한 생체생리학적 센서(152)를 포함한다. 본 실시 예에서, 생체생리학적 센서(152)는 PPG 센서이다. 센서 모듈(150)은 사용자의 모션 신호를 측정하기 위한 관성 측정 센서(156)를 더 포함 할 수 있다. 본 실시 예에서, 관성 측정 센서(156)는 3축 가속도계와 같은 가속도 계이다. 센서 모듈(150)은 센서들(152, 156)을 제어하고 센서들(152, 156)에 의해 각각 감지되는 생체 신호들 및 모션 신호들을 처리하기 위한 로컬 프로세서(154)를 제공받을 수 있다. 일부 실시 예에서, 신호 처리 프로세서는 로컬 프로세서(154) 및/또는 프로세서(130)에서 구현될 수 있다. 또는, 로컬 프로세서(154)는 특정 신호 전처리와 같은 신호 처리의 일부를 수행 할 수 있고, 프로세서(130)는 생체 인식 결정 또는 다른 기능들을 위한 다른 신호 처리 알고리즘을 구현한다. 본 발명의 실시 예들에서, 생체 인식 신호 처리 알고리즘을 실행하는데 사용되는 특정 프로세서는 본 개시의 실시에 중요하지 않다.In embodiments of the present disclosure, the sensor module 150 includes a biophysiological sensor 152 for measuring a biosignal of a user. In this embodiment, the biophysiological sensor 152 is a PPG sensor. The sensor module 150 may further include an inertial measurement sensor 156 for measuring a motion signal of the user. In this embodiment, the inertial measurement sensor 156 is an accelerometer, such as a three axis accelerometer. The sensor module 150 may be provided with a local processor 154 for controlling the sensors 152 and 156 and for processing biosignals and motion signals sensed by the sensors 152 and 156, respectively. In some embodiments, the signal processing processor may be implemented in local processor 154 and / or processor 130. Alternatively, local processor 154 may perform some portion of signal processing, such as specific signal preprocessing, and processor 130 may implement other signal processing algorithms for biometric determination or other functions. In embodiments of the present invention, the particular processor used to execute the biometric signal processing algorithm is not critical to the practice of the present disclosure.

본 발명의 실시 예들에서, 프로세서(130)는 사용자 웨어러블 장치에서 감지 동작, 샘플링 스케줄, 신호 처리 동작, 및 장치 통신 이벤트 및 다른 장치 특정 기능을 제어하도록 구성된다. 본 실시 예에서, 프로세서(130)는 CPU(132), 메모리(134), 입출력 인터페이스(182), 통신 인터페이스(184) 및 감지 모듈(190)을 포함한다. 프로세서(130)는 여러 요소를 포함하는 것으로 기술되지만, 다른 실시 예들은 상이한 기능들이 상이한 방식으로 그룹화되는 다른 구조를 사용할 수 있다. 예를 들어, 그룹화는 상이한 집적 회로 칩들 내에 있을 수 있다. 또는 그룹화는 입출력 인터페이스(182) 및 통신 인터페이스(184)와 같은 서로 다른 구성 요소들을 함께 결합할 수 있다.In embodiments of the present invention, the processor 130 is configured to control a sensing operation, a sampling schedule, a signal processing operation, and a device communication event and other device specific functions in the user wearable device. In this embodiment, the processor 130 includes a CPU 132, a memory 134, an input / output interface 182, a communication interface 184, and a sensing module 190. The processor 130 is described as including several elements, but other embodiments may use other structures in which different functions are grouped in different ways. For example, the grouping may be in different integrated circuit chips. Alternatively, grouping may combine different components, such as input / output interface 182 and communication interface 184 together.

프로세서(130)는 PPG 신호와 같은 감지된 생체 신호에 대해 부정맥 감지를 수행하기 위해 감지 모듈(190)을 통합할 수 있다. 본 발명의 실시 예들에서, 감지 모듈(190)은 데이터 처리 모듈(192), IBI 감지 모듈(194), 모폴로지 감지 모듈(196), 및 분류 모듈(198)을 포함한다. 신호 처리 모듈(192)은 감지된 생체 신호에 대해 신호 처리를 수행하도록 구성된다. 예를 들어, 데이터 처리 모듈(192)은 감지된 PPG 신호에 대한 기준선 제거 또는 직류(DC) 신호 레벨 제거를 수행할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 데이터 처리 모듈(192)은 감지된 PPG 신호들을 짧은 PPG 신호 세그먼트들로 분할하기 위해 신호 분할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 각 PPG 신호 세그먼트는 2초와 15초 사이일 수 있다. 대안으로, 각 PPG 신호 세그먼트는 n개의 감지된 박동을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, n은 40과 70 사이이다. 즉, 각 PPG 신호 세그먼트는 40번부터 70번까지의 박동을 포함할 수 있다.The processor 130 may integrate the sensing module 190 to perform arrhythmia detection on the sensed biosignal such as the PPG signal. In embodiments of the present invention, the sensing module 190 includes a data processing module 192, an IBI sensing module 194, a morphology sensing module 196, and a classification module 198. The signal processing module 192 is configured to perform signal processing on the sensed biosignal. For example, the data processing module 192 may perform baseline removal or direct current (DC) signal level removal on the detected PPG signal. In other embodiments, the data processing module 192 may perform signal splitting to split the sensed PPG signals into short PPG signal segments. For example, each PPG signal segment may be between 2 and 15 seconds. Alternatively, each PPG signal segment may include n sensed beats. In one embodiment, n is between 40 and 70. That is, each PPG signal segment may include 40 to 70 beats.

IBI 감지 모듈(194)은 PPG 신호 세그먼트의 감지된 박동에서 IBI의 분석을 구현한다. 모폴로지 감지 모듈(196)은 PPG 신호의 감지된 박동의 모폴로지 기반 특징들의 분석을 구현한다. 일부 실시 예들에서, 감지 모듈(190)은 IBI 감지 모듈 및 모폴로지 감지 모듈 중 하나 또는 모두를 포함 할 수 있다.IBI sensing module 194 implements the analysis of the IBI in the sensed beats of the PPG signal segment. Morphology sensing module 196 implements analysis of morphology based features of the sensed pulsation of a PPG signal. In some embodiments, the sensing module 190 may include one or both of an IBI sensing module and a morphology sensing module.

분류 모듈(198)은 PPG 신호 세그먼트들에서 부정맥의 존재를 감지하기 위해 PPG 신호 세그먼트들의 분류를 구현한다. 분류 모듈(198)은 IBI 감지 모듈(194)로부터의 분석 결과 및/또는 모폴로지 감지 모듈(196)로부터의 분석 결과를 사용한다. 분류 모듈(198)은 PPG 신호 세그먼트에서의 부정맥 존재 확률을 예측한다.The classification module 198 implements classification of PPG signal segments to detect the presence of arrhythmia in the PPG signal segments. The classification module 198 uses the analysis results from the IBI sensing module 194 and / or the analysis results from the morphology sensing module 196. The classification module 198 predicts the presence of arrhythmia in the PPG signal segment.

다른 실시 예들에서, 본 발명의 부정맥 감지 시스템은 센서 모듈을 포함하는 사용자 웨어러블 장치와 통신하는 전자 장치에 구현될 수 있다. 예를 들어, 전자 장치는 스마트 폰 또는 태블릿 장치와 같은 모바일 장치 일 수 있다. 감지된 PPG 신호들 및 모션 신호들과 같은 다른 수반하는 신호들은 도 11에 도시된 바와 같이 본 발명의 부정맥 감지 방법에 따라 신호 처리 및 부정맥 감지를 위한 전자 장치에 제공될 수 있다. 전자 장치는 감지 결과가 사용자 웨어러블 장치 상에 표시되도록 제공한다.In other embodiments, the arrhythmia detection system of the present invention may be implemented in an electronic device that communicates with a user wearable device including a sensor module. For example, the electronic device may be a mobile device such as a smart phone or tablet device. Other accompanying signals such as sensed PPG signals and motion signals may be provided to the electronic device for signal processing and arrhythmia detection according to the arrhythmia detection method of the present invention as shown in FIG. 11. The electronic device provides the detection result to be displayed on the user wearable device.

또 다른 실시 예들에서, 본 발명의 부정맥 감지 시스템은 데이터 네트워크 상에 배치되는 클라우드 서버에 구현되고 센서 모듈을 포함하는 사용자 웨어러블 장치와 통신할 수 있다. 감지된 PPG 신호 및 모션 신호와 같은 다른 수반하는 신호는 도 12에 도시된 바와 같이 본 발명의 부정맥 감지 방법에 따른 신호 처리 및 부정맥 감지를 위해 데이터 네트워크를 통해 클라우드 서버에 제공될 수 있다. 클라우드 서버는 사용자 웨어러블 장치 상에 표시될 감지 결과를 제공 할 수 있다. 본 설명에서, 클라우드 서버는 인터넷과 같은 데이터 네트워크에 걸쳐 클라우드 컴퓨팅 플랫폼을 통해 구축되고 관리되고(hosted) 전달되는 논리 서버를 지칭한다. 예를 들어, 클라우드 서버는 일반적인 서버와 비슷한 성능과 기능을 가지지만 클라우드 서비스 공급자로부터 원격으로 액세스될 수 있다.In still other embodiments, the arrhythmia detection system of the present invention may be implemented in a cloud server disposed on a data network and may communicate with a user wearable device including a sensor module. Other accompanying signals such as the detected PPG signal and the motion signal may be provided to the cloud server through the data network for signal processing and arrhythmia detection according to the arrhythmia detection method of the present invention as shown in FIG. 12. The cloud server may provide a detection result to be displayed on the user wearable device. In this description, a cloud server refers to a logical server that is built, hosted and delivered via a cloud computing platform over a data network, such as the Internet. For example, a cloud server has similar performance and features as a normal server but can be accessed remotely from a cloud service provider.

도 3은 본 발명의 실시 예들에서 사용자 웨어러블 장치에서의 부정맥 감지 방법을 설명하는 흐름도이다. 일부 실시 예들에서, 방법(200)은 도 1 및 도 2의 사용자 웨어러블 장치(100)의 프로세서(130)와 같은 웨어러블 장치 내의 프로세서에서 구현될 수 있다. 또는, 방법(200)은 웨어러블 장치와 통신하는 모바일 장치에서 구현될 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 방법(200)은 웨어러블 장치와 통신하는 클라우드 서버에서 구현될 수 있다. 도 3을 참조하면, 방법(200)은 사용자 웨어러블 장치(202)에 구현된 제 1 센서로부터 생체신호 데이터 신호들의 채널을 수신한다. 예를 들어, 생체신호 데이터 신호는 PPG 신호일 수 있다. 본 실시 예에서, 방법(200)은 미가공 데이터 샘플들, 즉 처리되지 않았거나 최소로 처리된 데이터 샘플들을 수신한다.3 is a flowchart illustrating a method of detecting arrhythmia in a user wearable device in embodiments of the present invention. In some embodiments, the method 200 may be implemented in a processor in a wearable device, such as the processor 130 of the user wearable device 100 of FIGS. 1 and 2. Alternatively, the method 200 may be implemented in a mobile device in communication with the wearable device. In yet another embodiment, the method 200 may be implemented in a cloud server in communication with a wearable device. Referring to FIG. 3, the method 200 receives a channel of biosignal data signals from a first sensor implemented in the user wearable device 202. For example, the biosignal data signal may be a PPG signal. In this embodiment, the method 200 receives raw data samples, that is, unprocessed or minimally processed data samples.

동작 204에서, 방법(200)은 PPG 신호 샘플들을 획득하기 위해 PPG 신호들의 처리를 수행한다. 일부 예들에서, PPG 신호들의 처리는 직류 기준선 신호 레벨을 제거하는 것을 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 처리는 신호 레벨을 향상시키는 다른 신호 처리를 포함할 수 있다. 처리 결과로써, PPG 신호 샘플들이 생성된다. 일 실시 예에서, 처리 단계는 사용자 웨어러블 장치(100)의 프로세서(130)의 감지 모듈(190) 내의 데이터 처리 모듈(192)에 의해 수행된다.At operation 204, the method 200 performs processing of PPG signals to obtain PPG signal samples. In some examples, the processing of the PPG signals may include removing the direct current baseline signal level. In other examples, the processing may include other signal processing that enhances the signal level. As a result of the processing, PPG signal samples are generated. In one embodiment, the processing step is performed by the data processing module 192 in the sensing module 190 of the processor 130 of the user wearable device 100.

도 4는 ECG 신호 및 PPG 신호의 예시적인 신호 파형을 도시한다. 특히, 심장 리듬 또는 심장 박동을 측정하기 위한 PPG 신호는 특정 파형의 윤곽을 가지며 ECG 신호의 파형의 윤곽과는 상이하다. 도 4를 참조하면, ECG는 심장의 전기적 활동을 측정하고 ECG 신호(곡선 250)는 심장의 주요 펌핑 수축을 나타내는 QRS 복합체로 알려진 현저한 특징을 포함한다. ECG 신호에서의 R 피크는 맥동 맥박 사이에서 발생하는 시간을 측정하기 위해 심박수 알고리즘에 의해 사용된다. 각 R 피크 사이의 지속 시간은 RR 간격으로 지칭된다.4 shows exemplary signal waveforms of an ECG signal and a PPG signal. In particular, the PPG signal for measuring heart rhythm or heart rate has a contour of a specific waveform and is different from the contour of the waveform of an ECG signal. Referring to FIG. 4, the ECG measures the electrical activity of the heart and the ECG signal (curve 250) includes a salient feature known as the QRS complex that represents the major pumping contraction of the heart. The R peak in the ECG signal is used by the heart rate algorithm to measure the time that occurs between pulsating pulses. The duration between each R peak is referred to as the RR interval.

한편, PPG는 신체의 동맥에 작용하는 가압된 맥박을 측정하는데, 이것은 동맥이 이전 상태로 돌아가기 전에 동맥을 약간 팽창시킨다. PPG 신호는 광 신호의 진폭이 펄스 압력에 직접 비례하는 광 신호이다. PPG 신호(곡선 252)는 신호 파형의 주기성을 나타내는데 사용될 수 있고 심박수의 추정을 가능하게 하는 최고점들(peaks) 및 최소점들(valleys)을 가진 준-주기 펄스들을 포함한다. 특히, 두 개의 인접한 펄스들의 최고점들 사이 또는 두 개의 인접한 펄스들의 최소점들 사이의 지속 기간은 심장 박동수의 지표로써 사용될 수 있는 IBI(Inter-beat Interval)로 지칭된다. 어떤 경우에는 PPG 신호가 중복 절흔을 나타낸다. 중복 절흔은 동맥압 파형의 다운스트로크(downstroke)에서 관찰되는 작은 하향 꺾임이다. 이것은 동맥 트리에서 겹쳐진 1 차 및 반사된 압력파의 교차를 나타낸다.PPG, on the other hand, measures the pressurized pulse acting on the arteries of the body, which slightly expands the artery before the artery returns to its previous state. A PPG signal is an optical signal in which the amplitude of the optical signal is directly proportional to the pulse pressure. The PPG signal (curve 252) can be used to indicate the periodicity of the signal waveform and include quasi-periodic pulses with peaks and valleys that allow estimation of the heart rate. In particular, the duration between the peaks of two adjacent pulses or between the minimum points of two adjacent pulses is referred to as Inter-beat Interval (IBI), which can be used as an indicator of heart rate. In some cases, the PPG signal exhibits redundant scars. Redundant cuts are small downward breaks observed in the downstroke of the arterial pressure waveform. This represents the intersection of the primary and reflected pressure waves superimposed in the artery tree.

도 3을 다시 참조하면, 동작 206에서, 방법(200)은 PPG 신호 샘플들에서의 박동을 감지한다. 일 실시 예에서, 방법(200)은 PPG 신호의 신호 파형에서 최고점들 및 최저점들을 감지하고 PPG 신호 샘플들에서 박동의 위치를 나타내기 위해 감지된 최고점들 또는 최저점들을 사용한다. 도 5는 PPG 신호 샘플들의 시퀀스의 예시적인 신호 파형을 도시한다. 도 5를 참조하면, 본 실시 예에서, 방법(200)은 PPG 신호 샘플들에서 박동 또는 심장 박동의 위치를 판별하기 위해 신호 파형의 최저점들을 감지한다. 따라서, 방법(200)은 박동으로서 PPG 신호 샘플들에서 각 펄스의 경계를 식별한다.Referring again to FIG. 3, at operation 206, the method 200 detects a rhythm in the PPG signal samples. In one embodiment, the method 200 detects the peaks and troughs in the signal waveform of the PPG signal and uses the sensed peaks or troughs to indicate the location of the pulsation in the PPG signal samples. 5 shows an example signal waveform of a sequence of PPG signal samples. Referring to FIG. 5, in this embodiment, the method 200 senses the lowest points of the signal waveform to determine the location of the rhythm or heartbeat in the PPG signal samples. Thus, the method 200 identifies the boundary of each pulse in PPG signal samples as a beat.

도 3을 다시 참조하면, 동작 208에서, 방법(200)은 PPG 신호 샘플들을 PPG 신호 세그먼트들로 분할한다. 일 실시 예에서, 방법(200)은 PPG 신호 샘플들을 t초와 같이 주어진 시간 지속 기간을 갖는 PPG 신호 세그먼트들로 분할한다. 예를 들어, 각 PPG 신호 세그먼트는 2초와 15초 사이일 수 있다. 다른 실시 예에서, 방법(200)은 PPG 신호 샘플들을 n번의 박동 수의 PPG 세그먼트들로 분할한다. 예를 들어, 각 PPG 신호 세그먼트는 40번부터 70번 사이의 박동을 포함할 수 있다.Referring again to FIG. 3, at operation 208, the method 200 splits the PPG signal samples into PPG signal segments. In one embodiment, the method 200 partitions PPG signal samples into PPG signal segments having a given time duration, such as t seconds. For example, each PPG signal segment may be between 2 and 15 seconds. In another embodiment, the method 200 splits the PPG signal samples into n beats of PPG segments. For example, each PPG signal segment may include a beat between 40 and 70 times.

본 개시의 실시 예들에서, 방법(200)은 PPG 신호 세그먼트를 형성하기 위해 주어진 시간 지속 기간동안 박동을 수집하고, PPG 신호 세그먼트의 박동은 시간상 연속적이거나 연속적이지 않을 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예들에서, 방법(200)은 PPG 신호 세그먼트를 형성하기 위해 주어진 횟수의 박동을 수집하고, PPG 신호 세그먼트의 박동은 시간상 연속적이거나 연속적이지 않을 수 있다. 방법(200)은 PPG 신호 세그먼트를 형성하기 위해 PPG 신호 샘플들에서 일부 박동을 수집하고 일부 박동을 폐기한 다음 다른 박동을 수집하는 것을 재개할 수 있다.In embodiments of the present disclosure, the method 200 collects beats for a given time duration to form a PPG signal segment, and the beats of the PPG signal segments may or may not be continuous in time. In other embodiments of the invention, the method 200 collects a given number of beats to form a PPG signal segment, and the beats of the PPG signal segment may or may not be continuous in time. The method 200 may collect some beats in the PPG signal samples, discard some beats, and then resume collecting other beats to form a PPG signal segment.

동작 210에서, 방법(200)은 각 PPG 신호 세그먼트에서 IBI 특징들을 추출한다. 특히, 방법(200)은 각 PPG 신호 세그먼트에 포함된 PPG 박동의 IBI의 분포의 통계적 규칙성을 분석하기 위해 PPG 신호 세그먼트를 평가한다. 이러한 방식으로, 방법(200)은 불규칙적으로 불규칙한 IBI 특성들을 추출할 수 있다. 일 실시 예에서, IBI 특징 추출 단계는 사용자 웨어러블 장치(100)의 프로세서(130)의 감지 모듈(190) 내의 IBI 감지 모듈(194)에 의해 수행된다.At operation 210, the method 200 extracts IBI features from each PPG signal segment. In particular, the method 200 evaluates the PPG signal segments to analyze the statistical regularity of the distribution of the IBI of the PPG beats included in each PPG signal segment. In this way, the method 200 may extract irregularly irregular IBI characteristics. In one embodiment, the IBI feature extraction step is performed by the IBI sensing module 194 in the sensing module 190 of the processor 130 of the user wearable device 100.

정상적인 PPG 펄스들의 경우, 개인의 심장 박동 사이의 시간 간격은 호흡 및 다른 장기간의 교감 반응들로 인해 상당히 예측 가능한 방식으로 변한다. 그러나 개인이 부정맥을 앓을 때, IBI는 조직에 존재하는 비정상적인 활성화 패턴으로 인해 매우 불규칙해져서 간격들을 분명히 통계적으로 더 불규칙적이고 덜 예측 가능하게 만든다. 비정상적인 IBI는 정상 PPG 펄스와 부정맥이 있는 PPG 펄스를 비교함으로써 관찰될 수 있다.For normal PPG pulses, the time interval between an individual's heartbeat changes in a fairly predictable manner due to breathing and other long-term sympathetic responses. However, when an individual suffers from arrhythmia, the IBI becomes very irregular due to abnormal activation patterns present in the tissues, making the intervals clearly statistically more irregular and less predictable. Abnormal IBI can be observed by comparing normal PPG pulses with PPG pulses with arrhythmia.

특히, 도 5는 정상 동방결절 리듬의 피험자로부터 수집된 PPG 신호 샘플들을 도시한다. IBI 지속 시간은 1.04초부터 1.12초까지 다양하다. IBI 지속 시간은 PPG 펄스들에 따라 다르지만, IBI 지속 시간은 일정하고 예측 가능한 방식으로 변한다. 도 6은 심방 세동을 갖는 일련의 PPG 신호 샘플들의 예시적인 신호 파형을 도시한다. 부정맥이 있는 PPG 신호 샘플의 경우, IBI 지속 시간은 PPG 펄스 세트에 따라 크게 변한다. 본 예들에서, IBI 지속 시간은 0.56초부터 1.14초까지 변한다. 이러한 불규칙적인 불규칙성은 부정맥이나 심방 세동의 지표이다.In particular, FIG. 5 shows PPG signal samples collected from subjects of normal orbital nodule rhythm. IBI durations vary from 1.04 seconds to 1.12 seconds. The IBI duration varies with the PPG pulses, but the IBI duration varies in a constant and predictable manner. 6 shows an example signal waveform of a series of PPG signal samples with atrial fibrillation. For PPG signal samples with arrhythmia, the IBI duration varies greatly with the PPG pulse set. In the examples, the IBI duration varies from 0.56 seconds to 1.14 seconds. These irregular irregularities are indicative of arrhythmia or atrial fibrillation.

본 개시의 실시 예들에서, 방법(200)은 각각의 PPG 신호 세그먼트를 분석하고 PPG 신호들에서 IBI의 '불규칙한 불규칙성' 특징을 추출한다. 일부 실시 예들에서, PPG 신호의 IBI의 불규칙성은 IBI 양의 분포의 하나 이상의 통계적 척도를 사용하여 특성화된다. 일부 실시 예들에서, 방법(200)은 IBI 지속 시간을 평가하기 위해 하나 이상의 통계적 척도를 구현한다. 하나의 예에서, 통계적 척도는 표준 편차, 비대칭, 첨도, 정보 엔트로피, IBI의 연속 차이의 제곱 평균 제곱근(RMSSD), 터닝 포인트 비율 및 멀티스케일 샘플 엔트로피를 포함할 수 있다. 통계적 척도들은 정상 동방결절 리듬으로부터의 편차를 나타내는 PPG 신호 세그먼트의 특징들을 추출하는데 사용된다.In embodiments of the present disclosure, the method 200 analyzes each PPG signal segment and extracts the 'irregular irregularity' feature of the IBI from the PPG signals. In some embodiments, the irregularities of the IBI of the PPG signal are characterized using one or more statistical measures of the distribution of IBI amounts. In some embodiments, the method 200 implements one or more statistical measures to assess the IBI duration. In one example, the statistical measures may include standard deviation, asymmetry, kurtosis, information entropy, root mean square root of successive difference of IBI (RMSSD), turning point ratio, and multiscale sample entropy. Statistical measures are used to extract features of the PPG signal segment that represent deviations from normal orbital nodal rhythms.

도 7은 심방 세동이 있는 PPG 신호들 및 정상 동방결절 리듬을 갖는 PPG 신호들의 IBI의 연속 차이의 제곱 평균 제곱근의 히스토그램을 나타내는 도표이다. 도 7을 참조하면, 연속 차이 분석의 제곱 평균 제곱근을 사용함으로써, 비정상 IBI를 갖는 PPG 신호들 및 정상 IBI를 갖는 PPG 신호들이 쉽게 구별될 수 있다.FIG. 7 is a plot showing the histogram of the root mean square of the successive difference in IBI of PPG signals with atrial fibrillation and PPG signals with normal orbital nodule rhythm. Referring to FIG. 7, by using the square root mean square of the continuous difference analysis, PPG signals with abnormal IBI and PPG signals with normal IBI can be easily distinguished.

도 8은 심방 세동이 PPG 신호들 및 정상 동방결절 리듬이 있는 PPG 신호들의 IBI의 멀티스케일 샘플 엔트로피 분석의 히스토그램을 도시하는 도표이다. 도 8을 다시 참조하면, 멀티스케일 샘플 엔트로피 분석을 사용함으로써, 비정상 IBI를 갖는 PPG 신호들 및 정상 IBI를 갖는 PPG 신호들이 쉽게 구별될 수 있다.8 is a plot showing a histogram of multiscale sample entropy analysis of IBI of atrial fibrillation PPG signals and PPG signals with normal orbital nodule rhythm. Referring back to FIG. 8, by using multiscale sample entropy analysis, PPG signals with abnormal IBI and PPG signals with normal IBI can be easily distinguished.

도 3으로 돌아가면, 동작 212에서, 방법(200)은 각 PPG 신호 세그먼트에서 모폴로지 기반 특징들을 추출한다. 특히, 방법(200)은 각 PPG 신호 세그먼트에 포함 된 PPG 박동의 모폴로지 기반 특징들을 분석하기 위해 PPG 신호 세그먼트들을 평가한다. 모폴로지 기반 특징들은 통계적 특징들, 측정된 특징들 또는 PPG 신호 세그먼트들의 PPG 박동으로부터 유도된 특징들을 포함할 수 있다. 모폴로지 기반 특징들은 PPG 신호 세그먼트에서 PPG 박동의 파형 형태, 파형 특성 및 파형 품질을 포함할 수도 있다. 일 실시 예에서, 방법(200)은 각 PPG 신호 세그먼트로부터 추출된 인접한 PPG 박동의 모폴로지 특징들 사이의 유사성 및 모폴로지 특성들의 통계적 분포를 분석한다. 일 실시 예에서, 모폴로지 특징 추출 단계는 사용자 웨어러블 장치(100)의 프로세서(130)의 감지 모듈(190)에서 모폴로지 감지 모듈(196)에 의해 수행된다.Returning to FIG. 3, at operation 212, the method 200 extracts morphology based features from each PPG signal segment. In particular, the method 200 evaluates PPG signal segments to analyze the morphology based features of the PPG beats included in each PPG signal segment. Morphology-based features may include statistical features, measured features or features derived from PPG rhythm of PPG signal segments. Morphology-based features may include waveform shape, waveform characteristics, and waveform quality of the PPG beats in the PPG signal segment. In one embodiment, the method 200 analyzes the statistical distribution of similarity and morphology characteristics between the morphology features of adjacent PPG beats extracted from each PPG signal segment. In one embodiment, the morphology feature extraction step is performed by the morphology detection module 196 in the sensing module 190 of the processor 130 of the user wearable device 100.

도 5에서 PPG 펄스 파형에 의해 도시된 바와 같이, 정상 동방 결정 리듬에서, 정상 동방 결정 리듬의 피험자로부터 인접한 PPG 박동은 파형 형상/ 형태에서 매우 유사하다. 그러나, 도 6에서 PPG 펄스 파형에 의해 도시된 바와 같이, 이는 부정맥에 대한 경우는 아니다. 예를 들어, 불규칙하게 일찍 도착한 박동은 일반적으로 이전 박동의 피가 피부에서 완전히 분산되어 직류 신호 상승을 일으키지 못하도록 하는 반면, 유사한 음의 기준선 모션은 늦게 도착한 PPG 박동에서 볼 수 있다. 마찬가지로, 심장 근육이 비정상적으로 수축되어 혈액이 다르게 분출되기 때문에 PPG 파형에 의해 감지된 관류는 주변과 다른 모양 및 압력 반사를 가질 수 있고, 원래의 압력 펄스에 겹쳐진 추가적인 반사 파형을 구성한다. 결과적으로, 형태 학적 특징들은 정상 동방결절을 심장 부정맥으로부터 구별하는 좋은 수단으로써 사용될 수 있다.As shown by the PPG pulse waveforms in FIG. 5, in normal isotropic rhythms, adjacent PPG beats from the subjects of normal isotropic rhythms are very similar in waveform shape / shape. However, as shown by the PPG pulse waveform in FIG. 6, this is not the case for arrhythmia. For example, irregularly arriving rhythms generally prevent the blood of the previous rhythm from being fully dispersed in the skin to cause a DC signal rise, while similar negative baseline motion is seen in late arriving PPG rhythms. Similarly, the perfusion detected by the PPG waveform may have a different shape and pressure reflection from the surroundings because the heart muscle is abnormally contracted and the blood is ejected differently, making up an additional reflection waveform superimposed on the original pressure pulse. As a result, morphological features can be used as a good means of distinguishing normal isotonic nodes from cardiac arrhythmias.

본 발명의 실시 예들에서, 부정맥 감지 방법(200)은 PPG 신호 세그먼트에서의 PPG 박동의 곡선 아래의 면적(AUC)의 표준 편차를 포함하는 모폴로지 기반 특징들을 추출한다. 예를 들어, 도 9는 정상 동방결절 및 심방 세동에 대한 곡선 아래의 면적의 표준 편차의 히스토그램을 나타내는 도표이다. 정상 동방결절의 히스토그램과 심방 세동의 히스토그램 사이의 모폴로지 특성 차이가 도 9에서 명확하게 관찰 될 수 있다. 방법(200)은 심장 부정맥의 징후를 감지하기 위한 PPG 신호 세그먼트에서 PPG 박동의 곡선 아래 면적의 표준 편차를 평가한다.In embodiments of the invention, the arrhythmia detection method 200 extracts morphology based features including a standard deviation of the area (AUC) under the curve of the PPG beats in the PPG signal segment. For example, FIG. 9 is a plot showing the histogram of the standard deviation of the area under the curve for normal isotopes and atrial fibrillation. The morphological characteristic difference between the histogram of normal orbital nodule and the histogram of atrial fibrillation can be clearly seen in FIG. 9. The method 200 assesses the standard deviation of the area under the curve of the PPG beats in the PPG signal segment to detect signs of cardiac arrhythmias.

다른 실시 예들에서, 부정맥 감지 방법(200)은 PPG 신호 세그먼트에서 인접한 PPG 박동의 파형 유사성을 포함하는 모폴로지 기반 특징들을 추출한다. 파형 유사성은 교차 상관 또는 유사성 척도를 사용하여 평가될 수 있다. 방법(200)은 가능한 부정맥의 징후를 감지하기 위해 PPG 신호 세그먼트에서의 PPG 박동의 파형 유사성 척도를 평가한다.In other embodiments, the arrhythmia detection method 200 extracts morphology based features including waveform similarity of adjacent PPG beats in the PPG signal segment. Waveform similarity can be assessed using cross correlation or similarity measures. The method 200 evaluates the waveform similarity measure of the PPG beats in the PPG signal segment to detect signs of possible arrhythmia.

다른 실시 예들에서, 부정맥 감지 방법(200)은 PPG 신호 세그먼트에서 긴 꼬리(long tail)를 갖는 PPG 박동의 비율을 포함하는 모폴로지 기반 특징들을 추출한다. 예를 들어, 방법(200)은 긴 꼬리를 갖는 PPG 박동의 발생률을 감지한다. 본 설명에서, 긴 꼬리를 갖는 PPG 박동은 확장된 하향 기울기를 갖는 PPG 박동 파형을 지칭한다. 즉, 긴 꼬리 특징은 동맥압 파형의 확장된 다운스트로크를 의미한다. 도 10은 긴 꼬리 특징들을 보여주는 일련의 PPG 신호 샘플들의 예시적인 신호 파형을 도시한다. 도 10을 참조하면, 라벨 LT는 긴 꼬리를 갖는 PPG 펄스들을 나타낸다. 방법(200)은 긴 꼬리 특징을 갖는 박동의 횟수를 감지하기 위해 PPG 신호 세그먼트 내의 PPG 박동을 평가한다. 긴 꼬리 특징의 발생률은 부정맥의 가능성을 나타내는데 사용될 수 있는 하나의 모폴로지 기반 특징이다. 일부 실시 예들에서, 긴 꼬리 특징은 패턴 인식 기술을 사용함으로써 감지된다.In other embodiments, the arrhythmia detection method 200 extracts morphology based features that include the ratio of PPG beats with long tails in the PPG signal segment. For example, the method 200 detects the incidence of PPG beats with long tails. In this description, a PPG beat with a long tail refers to a PPG beat waveform with an extended downward slope. That is, the long tail feature refers to an extended downstroke of the arterial pressure waveform. 10 shows an example signal waveform of a series of PPG signal samples showing long tail features. Referring to FIG. 10, the label LT indicates PPG pulses with long tails. The method 200 evaluates the PPG beats in the PPG signal segment to detect the number of beats with the long tail feature. The incidence of long tail features is one morphology-based feature that can be used to indicate the likelihood of arrhythmia. In some embodiments, the long tail feature is detected by using pattern recognition technology.

다른 실시 예들에서, 부정맥 감지 방법(200)은 PPG 신호 세그먼트에서 비정상적인 노치를 갖는 PPG 박동 비율을 포함하는 모폴로지 기반 특징들을 추출한다. 예를 들어, 방법(200)은 비정상적인 노치를 갖는 PPG 박동의 발생률을 감지한다. 비정상적인 노치는 비정상적인 노치가 두 개의 완전하지 않은 비정상적인 심장 박동을 나타내는 반면, 중복 절흔은 하나의 정상적인 심장 박동을 나타낸다는 점에서 이전에 기술된 중복 절흔과 다르다. 도 10을 참조하면, 라벨 AN은 비정상적인 노치들을 갖는 PPG 펄스들을 나타낸다. 방법(200)은 비정상적인 노치 특징을 갖는 박동 수를 감지하기 위해 PPG 신호 세그먼트 내의 PPG 박동을 평가한다. 비정상적인 노치 특징들의 발생률은 부정맥의 가능성을 나타내기 위해 사용될 수 있는 하나의 모폴로지 기반 특징이다. 일부 실시 예들에서, 비정상 노치 특징들은 패턴 인식 기술을 사용함으로써 감지된다.In other embodiments, the arrhythmia detection method 200 extracts morphology based features that include a PPG beat rate with an abnormal notch in the PPG signal segment. For example, the method 200 detects the incidence of PPG beats with abnormal notches. An abnormal notch differs from the previously described overlapping notch in that an abnormal notch represents two incomplete abnormal heartbeats, while the redundant notch represents one normal heartbeat. Referring to FIG. 10, the label AN shows PPG pulses with abnormal notches. The method 200 evaluates the PPG beats in the PPG signal segment to detect the number of beats with abnormal notch features. The incidence of abnormal notch features is one morphology based feature that can be used to indicate the likelihood of arrhythmia. In some embodiments, abnormal notch features are detected by using a pattern recognition technique.

다른 실시 예들에서, 부정맥 감지 방법(200)은 PPG 신호 세그먼트에서의 PPG 박동의 상승 에지들의 교류(AC) 성분들의 표준 편차 및 하강 에지들의 교류 성분들의 표준 편차를 포함하는 모폴로지 기반 특징들을 추출한다. PPG 파형은 교류 성분 및 직류 성분을 포함한다. 교류 성분은 심장 박동과 동기화되어 혈액량의 변화와 일치한다. 직류 성분은 조직에 의해 반사되거나 전송된 광학 신호들로부터 발생하고, 정맥 및 동맥 혈액량뿐만 아니라 조직 구조에 의해 판별된다. 직류 구성 요소는 호흡에 약간의 변화를 보여준다. 교류 성분의 기본 주파수는 심박수에 따라 변하며, 직류 기준선 상에 중첩된다. 일 실시 예에서, 방법(200)은 심장 박동의 상승 에지의 교류 진폭을 PPG 파형의 1차 도함수의 양의 영역으로써 계산하고, 심장 박동의 하강 에지의 교류 진폭을 PPG 파형의 1차 도함수의 음의 영역으로써 계산한다. 다른 실시 예에서, PPG 교류 펄스 파형 윤곽선은 신호 샘플들, 수축기 최고점 진폭, 이완기 최고점 진폭, 펄스 파형의 2차 미분 극한들에 의해 특성화 될 수 있다. 본 발명의 실시 예들에서, 방법(200)은 부정맥의 징후를 감지하기 위해 PPG 신호 세그먼트에서의 PPG 박동의 교류 성분들의 표준 편차를 평가한다.In other embodiments, the arrhythmia detection method 200 extracts morphology based features that include a standard deviation of alternating current (AC) components of rising edges of the PPG rhythm and a standard deviation of falling components of falling edges in the PPG signal segment. PPG waveforms include an alternating current component and a direct current component. The alternating current component is synchronized with the heart rate to match the change in blood volume. The direct current component arises from the optical signals reflected or transmitted by the tissue and is determined by the tissue structure as well as the venous and arterial blood volume. The DC component shows a slight change in breathing. The fundamental frequency of the alternating current component varies with heart rate and is superimposed on a direct current reference line. In one embodiment, the method 200 calculates the alternating amplitude of the rising edge of the heartbeat as the positive region of the first derivative of the PPG waveform, and the alternating amplitude of the falling edge of the heartbeat is negative of the first derivative of the PPG waveform. Calculate as the area of. In another embodiment, the PPG alternating pulse waveform contour may be characterized by signal samples, systolic peak amplitude, diastolic peak amplitude, second derivative limit of the pulse waveform. In embodiments of the invention, the method 200 evaluates the standard deviation of the alternating current components of the PPG rhythm in the PPG signal segment to detect signs of arrhythmia.

동작 214에서, 방법(200)은 각 PPG 신호 세그먼트와 관련된 추출된 IBI 특징들 및/또는 각각의 추출된 모폴로지 특징들을 이용하여 PPG 신호 세그먼트들을 분류한다. 방법(200)은 부정맥 트레이닝 데이터의 하나 이상의 세트들로부터 신호들 및 부정맥 주석에 기초하여 이전에 훈련된 머신 러닝 모델을 사용하여 PPG 신호 세그먼트를 분류한다. 일 실시 예에서, 방법(200)은 IBI 특징들과 모폴로지 특징들의 조합을 이용하여 PPG 신호 세그먼트를 분류한다. 특히, 특정 모폴로지 특징들은 심장 부정맥을 나타낸다. 따라서, IBI 및 모폴로지 기반의 특징들의 조합을 사용하면 부정맥 예측의 가능성을 높이는데 중요한 역할을 할 수 있다. 일 실시 예에서, 분류 단계는 사용자 웨어러블 장치(100)의 프로세서(130)의 감지 모듈(190) 내의 분류 모듈(198)에 의해 수행된다.At operation 214, the method 200 classifies PPG signal segments using the extracted IBI features and / or respective extracted morphology features associated with each PPG signal segment. The method 200 classifies the PPG signal segment using a previously trained machine learning model based on signals and arrhythmia annotation from one or more sets of arrhythmia training data. In one embodiment, the method 200 uses a combination of IBI features and morphology features to classify the PPG signal segment. In particular, certain morphological features indicate cardiac arrhythmias. Thus, the combination of IBI and morphology-based features can play an important role in increasing the likelihood of arrhythmia prediction. In one embodiment, the classification step is performed by the classification module 198 in the sensing module 190 of the processor 130 of the user wearable device 100.

일부 실시 예들에서, 방법(200)은 분류를 수행하기 위해 랜덤 포레스트 분류기를 사용한다. 랜덤 포레스트는 각각의 상이하고 독립적인 기본 분류기들/결정 트리들을 조합하여 구성된 앙상블 방법이다. 각 독립적인 분류기는 원래의 트레이닝 데이터 세트에서 대체하여 샘플링된 데이터 세트를 사용하여 학습된다. 최대 정보 이득을 갖는 특징들이 분리되도록 선택된다. 최상의 분할 기능들은 사용 가능한 기능들의 무작위 하위 집합으로부터 식별된다. 이 백킹(bagging)/부트스트랩(bootstrap) 통합은 과대적합(overfitting)의 감소라는 이점을 가지고 있어, 에러율을 줄이면서 모델을 더 큰 모집단으로 일반화 할 수 있다. 일 실시 예에서, 임베디드 시스템 상에서의 구현을 가능하게 하기 위해, 랜덤 포레스트 모델은 단지 3개의 결정 트리만을 사용하고 각 트리의 깊이는 5이다. 이러한 방식으로, 방법(200)은 부정맥 이벤트의 실시간 측정 및 예측을 가능하게 한다.In some embodiments, method 200 uses a random forest classifier to perform the classification. Random Forest is an ensemble method constructed by combining each different and independent base classifiers / decision trees. Each independent classifier is trained using the data set sampled in place of the original training data set. Features with the maximum information gain are selected to be separated. The best partitioning functions are identified from a random subset of the available functions. This backing / bootstrap integration has the advantage of reducing overfitting, allowing the model to be generalized to a larger population while reducing error rates. In one embodiment, to enable implementation on an embedded system, the random forest model uses only three decision trees and each tree has a depth of five. In this way, the method 200 enables real time measurement and prediction of arrhythmia events.

본 명세서에 사용 된 용어 '머신 러닝 모델'은 정확한 분류를 제공하기 위해 트레이닝 하는데 이용할 수 있는 분류 모델들을 지칭한다. 실제로, 분류 모델의 트레이닝은 고전력 컴퓨터들에서 수행되고 트레이닝된 모델은 모델을 사용하는 추론이 수행되는 장치 상에 배치된다. 일부 실시 예들에서, 임의의 머신 러닝 및/또는 분류 기술들이 전술한 PPG 특징들의 분류를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 간략히 설명하면, 본 발명의 실시 예는 전문가 입력에 기초하여 점증적으로 개선될 수 있는 머신 러닝을 사용하는 부정맥 감지 또는 이벤트 예측에 관한 것이다. 다양한 실시 예들 중 적어도 하나에서, 데이터는 복수의 분류기들(인덱스, 라벨 또는 주석) 및 하나 이상의 트레이닝 데이터의 세트 및/또는 테스트 데이터를 사용하여 트레이닝된 머신 러닝 모델에 제공될 수 있다.The term 'machine learning model' as used herein refers to classification models that can be used to train to provide accurate classification. Indeed, training of the classification model is performed on high power computers and the trained model is placed on the device where inference using the model is performed. In some embodiments, any machine learning and / or classification techniques may be used to perform the classification of the PPG features described above. Briefly described, an embodiment of the present invention relates to arrhythmia detection or event prediction using machine learning that can be incrementally improved based on expert input. In at least one of the various embodiments, the data may be provided to a machine learning model trained using a plurality of classifiers (index, labels or annotations) and one or more sets of training data and / or test data.

동작 216에서, 방법(200)은 각 PPG 신호 세그먼트와 관련된 추출된 IBI 특징들 및/또는 추출된 모폴로지 특징들에 기초하여 이벤트 예측 결과를 생성한다. 일 실시 예에서, 방법(200)은 PPG 세그먼트들의 IBI 특징들 및/또는 모폴로지 특징들을 사용하여 PPG 세그먼트들의 분류를 기반으로 하는 부정맥 감지 결과를 생성한다.At operation 216, the method 200 generates an event prediction result based on the extracted IBI features and / or the extracted morphology features associated with each PPG signal segment. In one embodiment, the method 200 uses the IBI features and / or morphology features of the PPG segments to generate an arrhythmia detection result based on the classification of the PPG segments.

일부 실시 예들에서, 부정맥이 존재함을 감지하는 것에 대한 응답으로, 부정맥 감지 방법(200)은 사용자에게 알림을 전송한다. 예를 들어, 알림은 모바일 장치 및/또는 웨어러블 장치의 애플리케이션을 통해 전송될 수 있다.In some embodiments, in response to detecting the presence of arrhythmia, the arrhythmia detection method 200 sends a notification to the user. For example, the notification may be sent via an application on the mobile device and / or wearable device.

전술한 분석을 사용하여, PPG 기반 부정맥 감지 시스템은 이들 세그먼트들로부터 추출된 IBI 특징들 및/또는 모폴로지 특징들을 이용하여 PPG 신호들의 다수의 짧은 이산 세그먼트들을 입력으로서 취하고, 감지 결과를 제공한다. 이러한 방식으로, 사용자의 하루 동안 사용할 수 있는 수동 감지 시스템이 실현된다.Using the foregoing analysis, the PPG based arrhythmia detection system takes as input a number of short discrete segments of PPG signals using IBI features and / or morphology features extracted from these segments and provides a detection result. In this way, a passive sensing system that can be used for the user's day is realized.

일부 실시 예들에서, 방법(200)은 사용자 웨어러블 장치(218)와 관련된 모션 정보를 수신한다. 예를 들어, 모션 정보는 관성 측정 센서 또는 가속도계와 같은 제 2 센서로부터 획득될 수 있다. 방법(200)은 높은 강도의 모션과 관련되어 있어 신뢰할 수 없는 PPG 신호 샘플들을 폐기하기 위해 PPG 신호 분할 단계(208) 동안 모션 정보를 사용할 수 있다. 또는, PPG 센서는 고강도 모션 기간 동안 꺼져 있으므로 이 기간 동안 PPG 신호를 사용할 수 없다. 따라서, 본 발명의 실시 예들에서, 이와 같이 생성된 PPG 신호 세그먼트들은 반드시 시간적으로 연속적일 필요는 없지만 연결되지 않는 PPG 신호 샘플들일 수 있다. 부정맥 감지 방법(200)은 PPG 신호 샘플들의 각 세그먼트가 시간적으로 불연속적 일 수 있는 PPG 신호 샘플들의 짧은 세그먼트들에 대해 동작할 수 있다.In some embodiments, method 200 receives motion information associated with user wearable device 218. For example, motion information may be obtained from a second sensor, such as an inertial measurement sensor or an accelerometer. The method 200 may use motion information during the PPG signal segmentation step 208 to discard unreliable PPG signal samples associated with high intensity motion. Or, because the PPG sensor is turned off during high-intensity motion, the PPG signal cannot be used during this period. Thus, in embodiments of the present invention, the PPG signal segments thus generated may be PPG signal samples that are not necessarily contiguous in time but are not connected. Arrhythmia detection method 200 may operate on short segments of PPG signal samples where each segment of PPG signal samples may be discontinuous in time.

일부 실시 예들에서, 방법(200)은 ECG 신호들을 수신한다(220). 방법(200)은 ECG 신호를 사용하여 PPG 신호 세그먼트들에서 감지된 박동을 조정할 수 있다. 일 실시 예에서, 방법(200)은 심박수에 대한 정보를 위해 ECG 신호를 사용하는데, 이는 감지 정확도를 향상시키기 위해 결정 임계치 및 박동 간의 시간 간격을 적응적으로 조정하는데 사용될 수 있다. 방법(200)은 임계치 조정만을 위해 ECG 신호를 사용하고, 부정맥의 존재 또는 부존재의 판별은 PPG 신호를 단독으로 사용하여 이루어진다는 점에 유의해야 한다.In some embodiments, method 200 receives (220) ECG signals. The method 200 may use the ECG signal to adjust the sensed beats in the PPG signal segments. In one embodiment, the method 200 uses an ECG signal for information about heart rate, which can be used to adaptively adjust the time interval between decision thresholds and beats to improve detection accuracy. It should be noted that the method 200 uses the ECG signal only for threshold adjustment, and the determination of the presence or absence of arrhythmia is made using the PPG signal alone.

일 실시 예에서, 부정맥이 정지 상태 동안 PPG의 주어진 기간에 충분히 존재한다면, 사용자는 ECG 측정을 수행하도록 요청될 수 있으며, 사용자의 센서는 웨어러블 디바이스 상에 함께 배치될 수 있다. PPG와 ECG 측정값의 조합은 의사 나 ECG 분석 알고리즘에 의해 부정맥의 존재를 위해 해석될 수 있다. 그 다음, 판별은 사용자에게 제시되거나 만성 질병 동향을 확인하기 위한 향후 누적 분석을 위해 저장될 수 있다.In one embodiment, if the arrhythmia is sufficiently present in a given period of PPG during a stationary state, the user may be asked to perform an ECG measurement, and the user's sensors may be placed together on the wearable device. The combination of PPG and ECG measurements can be interpreted for the presence of arrhythmia by physicians or ECG analysis algorithms. The determination can then be presented to the user or stored for future cumulative analysis to identify chronic disease trends.

도 3에서 전술한 PPG 기반 부정맥 감지 방법(200)에서, 방법(200)은 부정맥 감지를 위한 IBI 특징들 및 모폴로지 기반 특징들의 조합의 사용을 도시한다. IBI 특징들과 모폴로지 기반 특징들의 조합을 사용하는 것은 감지 정확도를 향상시키지만, 본 발명의 PPG 기반 부정맥 감지 방법은 IBI 특징들만을 사용하거나 또는 모폴로지 기반 특징들만을 사용하여 구현될 수 있다. IBI 특징들 또는 모폴로지 기반 특징들은 개별적으로 정확한 부정맥 감지의 기초로 사용될 수 있는 부정맥의 지표를 제공한다.In the PPG based arrhythmia detection method 200 described above in FIG. 3, the method 200 illustrates the use of a combination of IBI features and morphology based features for arrhythmia detection. Using a combination of IBI features and morphology-based features improves detection accuracy, but the PPG-based arrhythmia detection method of the present invention can be implemented using only IBI features or using morphology-based features. IBI features or morphology based features provide an indication of arrhythmia that can be used as the basis for accurate and accurate arrhythmia detection.

본 명세서의 측면들은 흐름도 또는 블록도를 참조하여 여기에서 설명되며, 여기서 각 블록 또는 임의의 블록들의 조합은 컴퓨터 프로그램 명령들에 의해 구현될 수 있다. 명령들은 기계 또는 제조 물품을 유발하기 위해 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터 또는 다른 프로그래밍 가능한 데이터 처리 장치들의 프로세서에 제공될 수 있으며, 프로세서에 의해 실행될 때 명령은 다이어그램의 각 블록 또는 블록들의 조합에 지정된 기능, 동작 또는 이벤트를 구현하기 위한 수단을 생성할 수 있다. Aspects of the present disclosure are described herein with reference to flowcharts or block diagrams, where each block or combination of arbitrary blocks can be implemented by computer program instructions. The instructions may be provided to a processor of a general purpose computer, special purpose computer or other programmable data processing devices to cause a machine or article of manufacture, wherein when executed by the processor the instructions may be assigned to each block or combination of blocks in the diagram, It is possible to create means for implementing an action or event.

이와 관련하여, 흐름도 또는 블록도의 각 블록은 특정 논리 기능(들)을 구현하기 위한 하나 이상의 실행가능한 명령을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드 부분에 대응할 수 있다. 또한, 일부 대체 구현들에서, 임의의 블록과 관련된 기능이 도면들에 기재된 순서를 벗어나 발생할 수 있음에 유의해야한다. 예를 들어, 연속적으로 도시된 2개의 블록들은 사실상 대체로 동시에 실행될 수 있거나 블록들이 때때로 역순으로 실행될 수 있다.In this regard, each block in the flowchart or block diagram may correspond to a module, segment or code portion that includes one or more executable instructions for implementing a particular logical function (s). It should also be noted that in some alternative implementations, functionality related to any block may occur out of the order noted in the figures. For example, two blocks shown in succession may in fact be executed substantially concurrently or the blocks may sometimes be executed in the reverse order.

당업자는 본 명세서의 일면들이 장치, 시스템, 방법 또는 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 명세서에서 회로들, 모듈들, 구성 요소들 또는 시스템들로 일반적으로 지칭되는 본 개시의 일면들은 이는 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 코드가 구현된 비 일시적인 컴퓨터 판독 가능 매체에 수록된 컴퓨터 프로그램 제품을 포함하는 하드웨어, 소프트웨어(펌웨어, 레지던트 소프트웨어, 마이크로-코드 등을 포함), 또는 소프트웨어 및 하드웨어의 임의의 조합으로 구현될 수 있다.Those skilled in the art will appreciate that aspects of the present specification may be implemented as an apparatus, system, method or computer program product. Accordingly, aspects of the present disclosure, generally referred to herein as circuits, modules, components, or systems, relate to a computer program product contained on a non-transitory computer readable medium having computer readable program code implemented thereon. Hardware, software (including firmware, resident software, micro-code, etc.), or any combination of software and hardware.

상기 상세한 설명은 본 발명의 특정 실시 예들을 설명하기 위해 제공되며 제한하려는 것은 아니다. 본 발명의 범위 내에서 많은 수정 및 변형이 가능하다. The foregoing detailed description is provided by way of explanation of particular embodiments of the invention and is not intended to be limiting. Many modifications and variations are possible within the scope of the invention.

Claims (23)

사용자 웨어러블 장치에서 이벤트 감지를 위한 방법에 있어서,
상기 사용자 웨어러블 장치에서 구현되는 제 1 센서로부터 PPG(photoplethysmogram) 신호들을 수신하는 단계;
프로세서에서 PPG 신호 샘플들을 얻기 위해 상기 PPG 신호들을 처리하는 단계;
상기 프로세서에서 상기 PPG 신호 샘플들 내의 박동을 감지하는 단계;
상기 PPG 신호 샘플들을 PPG 신호 세그먼트들로 분할하는 단계;
상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서 적어도 하나의 IBI(inter-beat interval) 특징을 추출하는 단계;
상기 프로세서에서, 상기 PPG 신호 세그먼트들 각각과 관련된 상기 추출된 IBI 특징을 사용하고 머신 러닝 모델을 사용하여 상기 PPG 신호 세그먼트들 각각을 분류하는 단계;
상기 분류하는 단계에 응답하여, 상기 프로세서에서, 상기 추출된 IBI 특징에 기초하여 상기 PPG 신호 세그먼트들 중 하나의 PPG 신호 세그먼트에 대한 이벤트 예측 결과를 생성하는 단계; 및
상기 사용자 웨어러블 장치에서 상기 이벤트 예측 결과를 표시하는 단계를 포함하는 방법.
In the method for event detection in a user wearable device,
Receiving photoplethysmogram (PPG) signals from a first sensor implemented in the user wearable device;
Processing the PPG signals to obtain PPG signal samples at a processor;
Detecting a pulsation in the PPG signal samples at the processor;
Dividing the PPG signal samples into PPG signal segments;
Extracting at least one inter-beat interval (IBI) feature from each of the PPG signal segments;
In the processor, using the extracted IBI feature associated with each of the PPG signal segments and classifying each of the PPG signal segments using a machine learning model;
In response to the classifying, generating, at the processor, an event prediction result for one PPG signal segment of the PPG signal segments based on the extracted IBI feature; And
Displaying the event prediction result at the user wearable device.
제 1 항에 있어서,
상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서의 적어도 하나의 모폴로지(morphology) 기반 특징을 추출하는 단계;
상기 프로세서에서, 상기 PPG 신호 세그먼트들 각각과 관련된 상기 추출된 IBI 특징 및 상기 추출된 모폴로지 기반 특징을 사용하고 상기 머신 러닝 모델을 사용하여. 상기 PPG 신호 세그먼트들 각각을 분류하는 단계; 및
상기 분류하는 단계에 응답하여, 상기 프로세서에서, 상기 추출된 IBI 특징 및 상기 추출된 모폴로지 기반 특징에 기초하여 상기 이벤트 예측 결과를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
The method of claim 1,
Extracting at least one morphology based feature in each of the PPG signal segments;
At the processor, using the extracted IBI feature and the extracted morphology based feature associated with each of the PPG signal segments and using the machine learning model. Classifying each of the PPG signal segments; And
And in response to the categorizing, generating, at the processor, the event prediction result based on the extracted IBI feature and the extracted morphology based feature.
제 1 항에 있어서,
상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서 상기 적어도 하나의 IBI 특징을 추출하는 단계는:
표준 편차, 비대칭도, 첨도, 정보 엔트로피, 터닝 포인트(turning poing) 비율, 연속 차이의 제곱 평균 제곱근 및 멀티스케일 샘플 엔트로피 중 하나 이상을 사용하여 상기 PPG 신호 세그먼트들 내의 상기 감지된 박동의 IBI의 지속 시간을 분석함으로써 상기 IBI 특징을 추출하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 1,
Extracting the at least one IBI feature from each of the PPG signal segments is:
Duration of the IBI of the detected beat in the PPG signal segments using one or more of standard deviation, asymmetry, kurtosis, information entropy, turning poing rate, root mean square of consecutive differences, and multiscale sample entropy Extracting the IBI feature by analyzing time.
제 2 항에 있어서,
상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서의 상기 적어도 하나의 모폴로지 기반 특징을 추출하는 단계는:
상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서 인접한 박동의 모폴로지 특성들의 통계적 분포 및 모폴로지 특징들 사이의 유사성 중 하나 또는 모두를 분석함으로써 상기 모폴로지 기반 특징을 추출하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 2,
Extracting the at least one morphology based feature in each of the PPG signal segments is:
Extracting the morphology based feature by analyzing one or both of the statistical distribution of morphological characteristics of adjacent beats in each of the PPG signal segments and the similarity between the morphology features.
제 4 항에 있어서,
상기 하나 또는 상기 모두를 분석함으로써 상기 모폴로지 기반 특징을 추출하는 단계는:
상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서 상기 감지된 박동의 곡선 아래의 면적의 표준 편차, 상기 PPG 신호 세그먼트들 내에서 상기 인접한 박동의 파형 유사성, 상기 PPG 신호 세그먼트들 내에서 긴 꼬리(long tail)를 갖는 PPG 박동의 비율, 상기 PPG 신호 세그먼트들 내에서 비정상적인 노치들(notches)을 갖는 PPG 박동의 비율 및 상기 PPG 신호 세그먼트들 내에서의 상기 박동의 상승 에지 및 하강 에지의 교류 성분의 표준 편차 중 하나 이상을 분석함으로써 상기 모폴로지 기반 특징을 추출하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 4, wherein
Extracting the morphology based feature by analyzing the one or all of:
A standard deviation of the area under the curve of the sensed beat in each of the PPG signal segments, the waveform similarity of the adjacent beat in the PPG signal segments, and a PPG with a long tail in the PPG signal segments One or more of the rate of beats, the rate of PPG beats with abnormal notches in the PPG signal segments, and the standard deviation of the alternating components of the rising and falling edges of the beats within the PPG signal segments. Extracting the morphology based feature by analyzing.
제 1 항에 있어서,
상기 PPG 신호 샘플들을 상기 PPG 신호 세그먼트들로 분할하는 단계는 상기 PPG 신호 샘플들을 t초의 주어진 지속 시간을 갖는 상기 PPG 신호 세그먼트들로 분할하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 1,
Dividing the PPG signal samples into the PPG signal segments comprises dividing the PPG signal samples into the PPG signal segments having a given duration of t seconds.
제 1 항에 있어서,
상기 PPG 신호 샘플들을 상기 PPG 신호 세그먼트들로 분할하는 단계는 박동 수에 따라 상기 PPG 신호 샘플들을 n번의 박동 수를 갖는 상기 PPG 신호 세그먼트들로 분할하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 1,
Dividing the PPG signal samples into the PPG signal segments comprises dividing the PPG signal samples into the PPG signal segments having n number of beats according to the number of beats.
제 1 항에 있어서,
하나 이상의 PPG 신호 세그먼트들 내의 상기 PPG 신호 샘플들은 불연속적인 지속 시간 동안 수집된 PPG 신호 샘플들을 포함하는 방법.
The method of claim 1,
Wherein the PPG signal samples in one or more PPG signal segments comprise PPG signal samples collected for a discontinuous duration.
제 8 항에 있어서,
상기 사용자 웨어러블 장치 내에서 구현되는 제 2 센서로부터 상기 사용자 웨어러블 장치에서의 모션 활동(motion activity)을 나타내는 모션 신호를 수신하는 단계;
상기 모션 신호에 응답하여, 상기 PPG 신호 샘플들 중 높은 강도의 상기 모션 활동과 관련된 PPG 신호 샘플들을 제거하는 단계; 및
상기 PPG 신호 샘플들 중 상기 불연속적인 지속 시간 동안 수집된 나머지 PPG 신호 샘플들을 분할함으로써 상기 PPG 신호 샘플들을 상기 PPG 신호 세그먼트들로 분할하는 단계를 더 포함하는 방법.
The method of claim 8,
Receiving a motion signal representing motion activity in the user wearable device from a second sensor implemented in the user wearable device;
In response to the motion signal, removing PPG signal samples associated with the high intensity of the motion activity of the PPG signal samples; And
Dividing the PPG signal samples into the PPG signal segments by dividing the remaining PPG signal samples collected during the discontinuous duration of the PPG signal samples.
제 9 항에 있어서,
상기 제 1 센서는 PPG 센서를 포함하고,
상기 제 2 센서는 가속도계를 포함하는 방법.
The method of claim 9,
The first sensor comprises a PPG sensor,
And said second sensor comprises an accelerometer.
제 1 항에 있어서,
상기 프로세서에서 ECG(electrocardiogram) 신호들을 수신하는 단계;
상기 ECG 신호들을 사용하여 상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서 상기 PPG 신호 샘플들을 조정하는 단계; 및
감지 정확도를 증가시키기 위해 상기 PPG 신호 세그먼트들 각각을 분류하는 동안 결정 임계치를 조정하는 단계를 더 포함하는 방법.
The method of claim 1,
Receiving electrocardiogram (ECG) signals at the processor;
Adjusting the PPG signal samples in each of the PPG signal segments using the ECG signals; And
Adjusting a decision threshold while classifying each of the PPG signal segments to increase sensing accuracy.
제 1 항에 있어서,
상기 추출된 IBI 특징에 기초하여 상기 PPG 신호 세그먼트들 중 상기 하나의 PPG 신호 세그먼트에 대한 상기 이벤트 예측 결과를 생성하는 단계는 부정맥이 상기 PPG 신호 세그먼트들 중 주어진 PPG 신호 세그먼트에 존재할 확률을 나타내는 상기 이벤트 예측 결과를 생성하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 1,
Generating the event prediction result for the one PPG signal segment of the PPG signal segments based on the extracted IBI feature may include the event indicating a probability that arrhythmia is present in a given PPG signal segment of the PPG signal segments. Generating a prediction result.
제 1 항에 있어서,
상기 PPG 신호 세그먼트들 중 주어진 PPG 신호 세그먼트에 이벤트가 존재할 높은 확률을 나타내는 상기 이벤트 예측 결과에 응답하여, 상기 사용자 웨어러블 장치 상에 알림을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
The method of claim 1,
Providing a notification on the user wearable device in response to the event prediction result indicating a high probability that an event is present in a given PPG signal segment of the PPG signal segments.
제 1 항에 있어서,
상기 프로세서에서 상기 PPG 신호 샘플들을 얻기 위해 상기 PPG 신호들을 처리하는 단계는 상기 사용자 웨어러블 장치에서 구현되는 상기 프로세서에서 상기 PPG 신호 샘플들을 얻기 위해 상기 PPG 신호들을 처리하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 1,
Processing the PPG signals to obtain the PPG signal samples at the processor comprises processing the PPG signals to obtain the PPG signal samples at the processor implemented in the user wearable device.
제 1 항에 있어서,
상기 프로세서에서 상기 PPG 신호 샘플들을 얻기 위해 상기 PPG 신호들을 처리하는 단계는 상기 사용자 웨어러블 장치와 통신하는 모바일 장치에서 구현되는 상기 프로세서에서 상기 PPG 신호 샘플들을 얻기 위해 상기 PPG 신호들을 처리하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 1,
Processing the PPG signals to obtain the PPG signal samples at the processor includes processing the PPG signals to obtain the PPG signal samples at the processor implemented at a mobile device in communication with the user wearable device. Way.
제 1 항에 있어서,
상기 프로세서에서 상기 PPG 신호 샘플들을 얻기 위해 상기 PPG 신호들을 처리하는 단계는 상기 사용자 웨어러블 장치와 통신하는 클라우드 서버에서 구현되는 상기 프로세서에서 상기 PPG 신호 샘플들을 얻기 위해 상기 PPG 신호들을 처리하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 1,
Processing the PPG signals to obtain the PPG signal samples at the processor includes processing the PPG signals to obtain the PPG signal samples at the processor implemented at a cloud server in communication with the user wearable device. Way.
사용자 웨어러블 장치에서 이벤트 감지를 위한 방법에 있어서,
상기 사용자 웨어러블 장치에서 구현되는 제 1 센서로부터 PPG(photoplethysmogram) 신호들을 수신하는 단계;
프로세서에서 PPG 신호 샘플들을 얻기 위해 상기 PPG 신호들을 처리하는 단계;
상기 프로세서에서 상기 PPG 신호 샘플들 내의 박동을 감지하는 단계;
상기 PPG 신호 샘플들을 PPG 신호 세그먼트들로 분할하는 단계;
상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서 상기 PPG 신호 샘플들의 통계적 특성들 또는 상기 PPG 신호 샘플들의 파형 특성들과 관련된 적어도 하나의 모폴로지 기반 특징을 추출하는 단계;
상기 프로세서에서, 상기 PPG 신호 세그먼트들 각각과 관련된 상기 추출된 모폴로지 기반 특징을 사용하고 머신 러닝 모델을 사용하여 상기 PPG 신호 세그먼트들 각각을 분류하는 단계;
상기 분류하는 단계에 응답하여, 상기 프로세서에서, 상기 추출된 모폴로지 기반 특징에 기초하여 이벤트 예측 결과를 생성하는 단계; 및
상기 사용자 웨어러블 장치에서 상기 이벤트 예측 결과를 표시하는 단계를 포함하는 방법.
In the method for event detection in a user wearable device,
Receiving photoplethysmogram (PPG) signals from a first sensor implemented in the user wearable device;
Processing the PPG signals to obtain PPG signal samples at a processor;
Detecting a pulsation in the PPG signal samples at the processor;
Dividing the PPG signal samples into PPG signal segments;
Extracting at least one morphology based feature associated with statistical characteristics of the PPG signal samples or waveform characteristics of the PPG signal samples in each of the PPG signal segments;
In the processor, classifying each of the PPG signal segments using the extracted morphology based feature associated with each of the PPG signal segments and using a machine learning model;
In response to the categorizing, generating, at the processor, an event prediction result based on the extracted morphology based feature; And
Displaying the event prediction result at the user wearable device.
제 17 항에 있어서,
상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서 상기 적어도 하나의 모폴로지 기반 특징을 추출하는 단계는:
상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서 인접한 박동의 모폴로지 특징들 사이의 유사성 및 모폴로지 특성들의 통계적 분포 중 하나 또는 모두를 분석함으로써 상기 모폴로지 기반 특징을 추출하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 17,
Extracting the at least one morphology based feature from each of the PPG signal segments:
Extracting the morphology based feature by analyzing one or both of the similarity between the morphological features of adjacent beats in each of the PPG signal segments and the statistical distribution of the morphology features.
제 18 항에 있어서,
상기 하나 또는 상기 모두를 분석함으로써 상기 모폴로지 기반 특징을 추출하는 단계는:
상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서 상기 감지된 박동의 곡선 아래의 면적의 표준 편차, 상기 PPG 신호 세그먼트들 내의 상기 인접한 박동의 파형 유사성, 상기 PPG 신호 세그먼트들 내에서 긴 꼬리(long tail)를 갖는 PPG 박동의 비율, 상기 PPG 신호 세그먼트들 내에서 비정상적인 노치들(notches)을 갖는 PPG 박동의 비율 및 상기 PPG 신호 세그먼트들 내에서의 상기 박동의 상승 에지 및 하강 에지의 교류 성분의 표준 편차 중 하나 이상을 분석함으로써 상기 모폴로지 기반 특징을 추출하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 18,
Extracting the morphology based feature by analyzing the one or all of:
A standard deviation of the area under the curve of the sensed beat in each of the PPG signal segments, the waveform similarity of the adjacent beat in the PPG signal segments, and a PPG beat with a long tail in the PPG signal segments. Analyzes one or more of a ratio of, a ratio of PPG beats with abnormal notches in the PPG signal segments, and a standard deviation of the alternating components of the rising and falling edges of the beat within the PPG signal segments. Thereby extracting the morphology based feature.
PPG 신호들을 측정하도록 구성되는 제 1 센서를 포함하는 센서 모듈; 및
프로세서를 포함하되,
상기 프로세서는:
PPG 신호 샘플들을 획득하고 상기 PPG 신호 샘플들 내의 박동을 감지하고 상기 PPG 신호 샘플들을 PPG 신호 세그먼트들로 분할하기 위해 상기 PPG 신호들을 처리하도록 구성되는 데이터 처리 모듈;
상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서의 적어도 하나의 IBI의 특징을 추출하도록 구성되는 IBI 감지 모듈;
상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서의 적어도 하나의 모폴로지 기반 특징을 추출하도록 구성되는 모폴로지 감지 모듈; 및
상기 세그먼트와 관련된 상기 추출된 IBI의 특징 및 상기 추출된 모폴로지 기반 특징을 사용하고 머신 러닝 모델을 사용하여 상기 PPG 신호 세그먼트들 각각을 분류하도록 구성되는 분류 모듈을 포함하고,
상기 분류 모듈은 상기 추출된 IBI의 특징 및 상기 추출된 모폴로지 기반 특징에 기초하여 이벤트 예측 결과를 생성하도록 구성되는 장치.
A sensor module comprising a first sensor configured to measure PPG signals; And
Include processors,
The processor is:
A data processing module configured to process the PPG signals to obtain PPG signal samples, detect a pulsation in the PPG signal samples, and divide the PPG signal samples into PPG signal segments;
An IBI sensing module configured to extract a feature of at least one IBI in each of the PPG signal segments;
A morphology sensing module configured to extract at least one morphology based feature in each of the PPG signal segments; And
A classification module configured to classify each of the PPG signal segments using a feature of the extracted IBI and the extracted morphology based feature associated with the segment and using a machine learning model,
The classification module is configured to generate an event prediction result based on the extracted IBI feature and the extracted morphology based feature.
제 20 항에 있어서,
상기 IBI 감지 모듈은 표준 편차, 비대칭도, 첨도, 정보 엔트로피, 터닝 포인트(turning poing) 비율, 연속 차이의 제곱 평균 제곱근 및 멀티스케일 샘플 엔트로피 중 하나 이상을 사용하여 상기 PPG 신호 세그먼트들 내의 상기 감지된 박동의 상기 IBI의 지속 시간을 분석함으로써 상기 IBI 특징을 추출하도록 구성되는 장치.
The method of claim 20,
The IBI sensing module uses one or more of standard deviation, asymmetry, kurtosis, information entropy, turning poing ratio, root mean square of consecutive differences, and multiscale sample entropy to detect the detected in the PPG signal segments. And extract the IBI feature by analyzing the duration of the IBI in the beat.
제 20 항에 있어서,
상기 모폴로지 감지 모듈은 상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서의 인접한 박동의 모폴로지 특성들의 통계적 분포 및 모폴로지 특징들 사이의 유사성 중 하나 또는 모두를 분석함으로써 상기 모폴로지 기반 특징을 추출하도록 구성되는 장치.
The method of claim 20,
And the morphology detection module is configured to extract the morphology based feature by analyzing one or both of a statistical distribution of morphological characteristics of adjacent beats in each of the PPG signal segments and similarities between the morphology features.
제 22 항에 있어서,
상기 모폴로지 감지 모듈은 상기 PPG 신호 세그먼트들 각각에서 상기 감지된 박동의 곡선 아래의 면적의 표준 편차, 상기 PPG 신호 세그먼트들 내에서 상기 인접한 박동의 파형 유사성, 상기 PPG 신호 세그먼트들 내에서 긴 꼬리(long tail)를 갖는 PPG 박동의 비율, 상기 PPG 신호 세그먼트들 내에서 비정상적인 노치들(notches)을 갖는 PPG 박동의 비율 및 상기 PPG 신호 세그먼트들 내에서의 상기 박동의 상승 에지 및 하강 에지의 교류 성분의 표준 편차 중 하나 이상을 분석함으로써 상기 모폴로지 기반 특징을 추출하도록 구성되는 장치.
The method of claim 22,
The morphology sensing module is configured to provide a standard deviation of the area under the curve of the sensed beat in each of the PPG signal segments, the waveform similarity of the adjacent beats in the PPG signal segments, and the long tail in the PPG signal segments. standard of the rate of PPG beats with a tail, the rate of PPG beats with abnormal notches in the PPG signal segments, and the alternating component of the rising and falling edges of the beats within the PPG signal segments. And extract the morphology based feature by analyzing one or more of the deviations.
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