KR20200091209A - 심전도 신호의 주기성을 이용한 r파 정점 검출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 심전도 신호로부터 예상되는 R파 정점들을 검출하고, 검출된 예상 R파 정점들 간의 시차를 계산하여, 임계 시차보다 큰 예상 R파 정점들만을 실제 R파 정점으로 출력함으로써, 비정상적인 심전도 신호에서의 R파 정점 오검출을 방지할 수 있는 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법에 관한 것이다.

Description

심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법{R wave peak detection method using periodicity of ECG signal}

본 발명은 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 심전도 신호로부터 예상되는 R파 정점들을 검출하고, 검출된 예상 R파 정점들 간의 시차를 계산하여, 임계 시차보다 큰 예상 R파 정점들만을 실제 R파 정점으로 출력함으로써, 비정상적인 심전도 신호에서의 R파 정점 오검출을 방지할 수 있는 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법에 관한 것이다.

심전도 신호란 심장의 근육 세포들이 전류에 반응하여 수축/이완하는 활동을 분석하여 파형 형태로 기록한 것을 말하며, 상세하게는 심장의 심방과 심실의 탈분극 및 재분극 과정에서 측정되는 전기적인 신호를 기록한 것으로 P파형, QRS Complex 파형 및 T파형으로 구분되고, 정상적인 심전도 신호는 P파형, QRS Complex 파형, T파형 순으로 반복되는 주기성을 갖는다.

도 1은 이상적인 심전도 신호의 파형을 보여주는 것으로, 도 1을 참조하면, 심전도 신호의 기본 파형은 P파형(P)의 경우 심방 탈분극 시 나타나는 파형으로 QRS군(QRS Complex)의 앞에 위치하고, 상향파이며, QRS군(QRS Complex)은 심실의 탈분극 시 나타나는 파형으로 Q파형(Q)의 경우 하향파를 나타내고, R파형(R)은 상향파, S파형(S)는 하향파를 나태내며, T파형(T)은 심실 재분극 시 나타나는 파형으로 상향파를 나타낸다.

한편, 이러한 심전도 신호를 컴퓨터를 통해 사용자 인증, 식별 또는 분석하기 위해서는 입력된 심전도 신호를 한 주기로 분할하고, 더 나아가 한 주기 내에 파형들의 구간을 분류한 상태에서 진행하게 되는데 이를 위해 일반적으로 QRS군(QRS Complex) 중 스파이크 형상이 뚜렷한 R파형의 정점 검출(R-Peak)을 먼저 수행하게 된다.

이는, R파형(R)의 신호 진폭의 피크점인 R파 정점(R-Peak)이 다른 파형들의 피크점 보다 상대적으로 높게 나타나 특징이 가장 뚜렷하여 검출이 쉽고, 각 파형 간의 주기가 일정 범위 간격으로 진행되므로, R파 정점(R-Peak)을 기준으로 각 파형들의 구간 정의와 주기를 분류할 수 있기 때문이다.

따라서, R파 정점(R-Peak)을 검출하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있으며, 대표적으로 팬-톰킨스(Pan and Tompkins) 알고리즘이 있다. 팬-톰킨스 알고리즘은 정상 파형에 대해서는 정확도가 높은 R파 정점(R-Peak) 검출률을 나타내지만 비정상적인 특이 파형이 많이 존재하는 심전도 신호에서는 정확도가 현저히 낮은 R파(R-Peak) 검출률을 보인다.

특히, 비정상적인 특이 파형 중 하나로 T파형(T)의 신호 진폭 피크점인 T파 정점(T-Peak)이 R파 정점(R-Peak)의 1/2 내지 1/4로 나타나는 것이 정상적이나, T파 정점(T-Peak)이 비정상적으로 크게 나타나, R파 정점(R-Peak)과 유사하거나 더 큰 값을 나타나게되는 경우가 있으며, 이에 의해 R파형(R)과 유사한 T파형(T)이 심전도 신호에 출력되어, 팬-톰킨스 알고리즘으로 R파 정점(R-Peak)을 검출하는 경우 T파 정점(T-Peak)을 R파 정점(R-Peak)으로 오검출하는 문제가 발생한다.

따라서, 이러한 비정상적인 파형들의 발생으로 인해 R파 정점 검출의 정확도가 떨어지는 문제를 방지하기 위한 연구가 필요한 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 심전도 신호의 R파 정점을 검출하는 방법에 있어서, R파형과 유사한 특징을 나타내는 T파형이 심전도 신호에 존재하여도, 실제 R파 정점을 정확히 검출할 수 있는 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 심전도 신호를 입력받는 단계; 상기 심전도 신호의 예상 R파 정점들을 검출하는 단계; 및 상기 예상 R파 정점들 간의 시차가 임계 시차 이하인 예상 R파 정점들을 검출하여 제거하고, 나머지 예상 R파 정점들을 실제 R파 정점으로 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 심전도 신호를 입력받는 단계; 이후에 상기 심전도 신호의 초기 영역에 해당되는 진폭값들을 시간에 따른 구간별로 샘플링하여 기울기를 계산하고, 상기 기울기가 가장 낮은 구간의 이전 신호들을 상기 심전도 신호에서 제거하는 단계;를 더 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 기울기가 가장 낮은 구간의 이전 신호들을 상기 심전도 신호에서 제거하는 단계:는 상기 심전도 신호에서 진폭값들을 샘플링할 상기 초기 영역을 설정하는 단계; 설정된 초기 영역을 일정 시간으로 나누어 구간을 설정하는 단계; 나누어진 각 구간들에 해당되는 진폭값들을 샘플링하여 시간 변화에 따른 진폭값의 변화인 기울기를 계산하는 단계; 상기 기울기가 가장 낮은 구간을 추출하고, 상기 추출된 구간 이전의 신호들은 상기 심전도 신호에서 제거하는 단계;를 포함하고, 상기 심전도 신호에서 상기 예상 R파 정점들이 검출될 때, 최초의 예상 R파 정점을 상기 실제 R파로 정의한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 심전도 신호의 예상 R파 정점 검출은 팬-톰킨스 알고리즘을 이용한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 임계 시차 이하인 예상 R파 정점들을 검출하여 제거하는 단계는 아래의 수학식 1에 의해 수행된다.

[수학식 1]

여기서, R_n은 n번째 예상 R파 정점이 검출된 시간, Th는 임계 시차를 의미하며, R_n과 R_{n +1} 간의 시차가 임계 시차 이하일 경우 R_{n +1}에 해당하는 예상 R파 정점을 제거한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 임계 시차는 0.4초이다.

또한 본 발명은 컴퓨터와 결합하여 상기 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법을 수행하는 기록 매체에 저장된 컴퓨터프로그램을 더 제공한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.

본 발명의 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법에 의하면, 일차적으로 검출된 예상 R파 정점들 간의 시차가 임계 시차 이하인 예상 R파 정점을 제거하여, 복잡한 알고리즘의 구성 없이 간단한 수식을 통해 실제 R파 정점을 검출할 수 있어, 연산량을 최소화할 수 있고, R파 정점 검출의 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 이상적인 심전도 신호의 파형을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 R파 정점 검출 방법의 전체 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 R파 정점 검출 방법 중 심전도 신호에서 기울기가 가장 낮은 구간의 이전 신호를 제거하는 방법의 흐름도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 R파 정점 검출 방법의 심전도 신호 초기 영역 설정을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 R파 정점 검출 방법의 초기 영역에서 기울기가 가장 낮은 구간을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 R파 정점 검출 방법에서 기울기가 가장 낮은 구간 이전의 심전도 신호가 제거된 심전도 신호를 보여주는 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 R파 정점 검출 방법에서 예상 R파 정점이 검출된 심전도 신호를 보여주는 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 R파 정점 검출 방법에서 오검출된 예상 R파 정점이 제거된 심전도 신호를 보여주는 도면이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명의 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법은 입력된 심전도 신호에서 비정상적으로 나타나는 T파 정점을 R파 정점으로 오검출하는 것을 방지하기 위한 것으로, 예상되는 R파 정점을 추출하고, 예상된 R파 정점들 간의 시차를 계산하여 임계 시차 안에 포함되는 예상된 R파 정점들을 제거함으로써, 주기적으로 나타나는 파형의 특성을 이용하여 R파 정점의 오검출을 방지하는 위한 방법이다.

또한, 상기 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법은 실질적으로 컴퓨터에 의해 수행되며 상기 컴퓨터에는 상기 방법이 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된다.

또한, 상기 컴퓨터는 일반적인 퍼스널 컴퓨터뿐만 아니라, 스마트폰이나 태블릿 PC와 같은 스마트 기기를 포함하는 광의의 컴퓨팅 장치를 의미한다.

또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 별도의 기록 매체에 저장되어 제공될 수 있으며, 상기 기록 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되어 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다.

예를 들면, 상기 기록 매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD, DVD와 같은 광 기록 매체, 자기 및 광 기록을 겸할 수 있는 자기-광 기록 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등 단독 또는 조합에 의해 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치일 수 있다.

또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등이 단독 또는 조합으로 구성된 프로그램일 수 있고, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라, 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드로 짜여진 프로그램일 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 R파 정점 검출 방법의 전체 흐름도, 도 2를 참조하면, 본 발명의 R파 정점 검출 방법은 먼저, 심전도 신호를 입력받는다(S1000).

또한, 상기 심전도 신호는 심장의 박동에 따라 발생하는 활동 전류를 표준 12유도법에 의해 측정되며, 측정된 심전도 신호는 잡음을 제거하기 위한 필터링이 수행된다.

다음, 상기 심전도 신호에서 기울기가 가장 낮은 구간의 이전 신호를 제거한다(S2000).

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 R파 정점 검출 방법 중 심전도 신호에서 기울기가 가장 낮은 구간의 이전 신호를 제거하는 방법의 흐름도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 R파 정점 검출 방법의 심전도 신호 초기 영역 설정을 설명하기 위한 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실제 R파 정점 검출 방법의 초기 영역에서 기울기가 가장 낮은 구간을 설명하기 위한 도면, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 R파 정점 검출 방법에서 기울기가 가장 낮은 구간 이전의 심전도 신호가 제거된 심전도 신호를 보여주는 도면이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 상기 심전도 신호에서 기울기가 가장 낮은 구간의 이전 신호 제거(S2000)는 먼저, 상기 심전도 신호에서 심전도 신호의 초기 영역(10)을 설정한다(S2100).

한편, 상기 심전도 신호는 본 발명의 실제 R파 검출 방법의 신빙성을 검증하기 위해 R파형(R)과 T파형(T)의 특징이 유사한 심전도 신호를 사용했다.

또한, 상기 초기 영역(10)은 상기 심전도 신호에서 일정 영역만의 기울기를 구하기 위한 것으로 상기 심전도 신호의 기울기를 구하기 위한 샘플링 범위는 0~1초이다.

다음, 설정된 초기 영역(10) 범위에서 일정 시간으로 나누어 구간을 설정한다(S2200).

또한, 상기 구간 설정은 상기 초기 영역(10)의 범위를 0.1초 단위로 총 10개의 구간으로 일정하게 나뉘며, 상기 0.1초 범위마다 포함되는 상기 심전도 신호의 데이터 수는 샘플링 레이트(Sampling Rate)에 따라 변동될 수 있다.

다음, 일정하게 나뉘어진 구간에 해당하는 심전도 신호의 데이터를 이용하여 기울기를 계산한다(S2300).

또한, 상기 기울기는 시간에 따른 심전도 신호의 변화량으로 한 구간에 해당되는 심전도 신호의 데이터 수가 13개일 경우, 순차적으로, 현재 심전도 신호의 데이터와 다음 심전도 신호의 데이터 간의 기울기를 계산하게되며, 이때, 총 12개의 기울기가 도출된다.

또한, 도출된 12개의 기울기의 평균을 구함으로써, 해당 구간의 최종 기울기를 정의한다.

다음, 구간별로 계산된 기울기 중 가장 낮은 기울기(The Lowest gradient)를 갖는 구간을 검출하고, 검출된 구간 이전 구간들을 상기 심전도 신호에서 제거한다(S2400).

한편, 가장 낮은 기울기를 갖는 구간은 심전도 신호의 데이터 값들의 변동폭이 거의 없는 상태로 수평을 이루는 것을 의미하며, 일반적으로 심전도 신호에서 P파형(P)과 P파형(P) 이전의 T파형(T) 사이에서 나타나며 가장 낮은 기울기를 갖는다.

따라서, 상기 심전도 신호가 시작되는 시점의 파형을 P파형을 시작으로, 순차적으로 QRS Complex, T파형이 나올 수 있도록 전처리를 수행하였다.

다음, 상기 심전도 신호로부터 예상되는 R파 정점(이하, "예상 R파 정점"이라함)을 검출한다(S3000).

또한, 본 발명에서는 상기 예상 R파 정점을 검출하기 위해 팬-톰킨스(Pan-Tompkins) 알고리즘을 사용하였으나, 이외에도 예상 R파 정점을 검출하기 위해 다양한 알고리즘이 사용될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 R파 정점 검출 방법에서 예상 R파 정점이 검출된 심전도 신호를 보여주는 도면으로, 예상 R파 정점들(R₁,R₂,R₃,...R_n)의 위치를 원으로 표시하였다.

또한, 상기 팬-톰킨스 알고리즘을 통해 검출된 예상 R파 정점들(R₁,R₂,R₃,...R_n)은 실제 R파 정점(R-Peak)뿐만 아니라 실제 T파 정점(T-Peak)을 예상 R파 정점(R₁,R₂,R₃,...R_n)으로 검출하는 것을 확인할 수 있다.

다음, 상기 예상 R파 정점(R₁,R₂,R₃,...R_n)들이 검출된 시간을 아래의 수학식 1에 대입하여 실제 R파 정점을 검출한다(S4000).

여기서, R_n은 n번째 예상 R파 정점이 검출된 시간, Th는 임계 시차를 나타낸다.

또한, 상기 임계 시차는 0.4로 설정하는 것이 바람직하며, 이는 일반적인 심전도 신호에서 검출되는 Q파형과 R파 정점 간의 시차가 0.05초이고, Q파형과 T파형 간의 시차가 0.45초 이하이기 때문에, 상기 임계 시차 이하에서는 R파 정점이 존재할 수 없으므로, 이에 근거하여 설정하였다.

또한, 상기 수학식 1에 따르면, R_n과 R_{n + 1} 의 뺄셈의 절대값이 상기 임계 시차 이하이면, R_{n +1}을 추출하고, 이외에는 데이터를 출력하지 않는다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 R파 정점 검출 방법에서 오검출된 예상 R파 정점이 제거된 심전도 신호를 보여주는 도면으로, 도 8을 참조하면, 상기 수학식 1의 조건에 해당되어 추출된 R_{n +1}은 상기 예상 R파 정점(R₁,R₂,R₃,...R_n)에서 제외되었으며, 나머지 예상 R파 정점(R₁,R₃,R₅,...R_n)이 출력되었다.

즉, 상기 수학식 1의 조건에 해당되어 추출된 R_{n +1}은 오검출된 R파 정점이며, 이에 따라 상기 예상 R파 정점(R₁,R₂,R₃,...R_n)에서 제거되고, 나머지 예상 R파 정점(R₁,R₃,R₅,....R_n)이 실제 R파 정점으로 출력된다.

또한, 상기 심전도 신호에서 기울기가 가장 낮은 구간의 이전 신호 제거(S2000)를 통해 심전도 신호의 시작 시점을 P파형(P)부터 시작하게 하였으므로, 최초 예상 R파 정점(R1)은 실제 R파 정점(R-Peak)으로 정의된다.

따라서, 본 발명의 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법은 검출된 예상 R파 정점들 간의 시차가 임계 시차 이하인 예상 R파 정점을 제거하여, 복잡한 알고리즘의 구성 없이 간단한 수식을 통해 실제 R파 정점을 검출할 수 있으며, R파 정점 검출의 정확도를 향상시킬 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (7)

1. 심전도 신호를 입력받는 단계;
   상기 심전도 신호의 예상 R파 정점들을 검출하는 단계; 및
   상기 예상 R파 정점들 간의 시차가 임계 시차 이하인 예상 R파 정점들을 검출하여 제거하고, 나머지 예상 R파 정점들을 실제 R파 정점으로 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 심전도 신호를 입력받는 단계; 이후에
   상기 심전도 신호의 초기 영역에 해당되는 진폭값들을 시간에 따른 구간별로 샘플링하여 기울기를 계산하고, 상기 기울기가 가장 낮은 구간의 이전 신호들을 상기 심전도 신호에서 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 기울기가 가장 낮은 구간의 이전 신호들을 상기 심전도 신호에서 제거하는 단계:는
   상기 심전도 신호에서 진폭값들을 샘플링할 상기 초기 영역을 설정하는 단계;
   설정된 초기 영역을 일정 시간으로 나누어 구간을 설정하는 단계;
   나누어진 각 구간들에 해당되는 진폭값들을 샘플링하여 시간 변화에 따른 진폭값의 변화인 기울기를 계산하는 단계;
   상기 기울기가 가장 낮은 구간을 추출하고, 상기 추출된 구간 이전의 신호들은 상기 심전도 신호에서 제거하는 단계;를 포함하고,
   상기 심전도 신호에서 상기 예상 R파 정점들이 검출될 때, 최초의 예상 R파 정점을 상기 실제 R파로 정의하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 심전도 신호의 예상 R파 정점 검출은 팬-톰킨스 알고리즘을 이용하는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 임계 시차 이하인 예상 R파 정점들을 검출하여 제거하는 단계는 아래의 수학식 1에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법.
   [수학식 1]
   

   

   
   

   

   
   여기서, R_n은 n번째 예상 R파 정점이 검출된 시간, Th는 임계 시차를 의미하며, R_n과 R_{n +1} 간의 시차가 임계 시차 이하일 경우 R_{n +1}에 해당하는 예상 R파 정점을 제거한다.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 임계 시차는 0.4초인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 심전도 신호의 주기성을 이용한 R파 정점 검출 방법.
7. 컴퓨터와 결합하여 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 기록 매체에 저장된 컴퓨터프로그램.
   

Images