KR20230071493A - Arrhythmia Classification Method Using Neural Network and Method Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신경망을 이용한 부정맥 분류 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 ECG 신호를 획득한 후 전처리하는 전처리부, 전처리된 상기 ECG 신호에서 다수 개의 QRS 영역을 추출하는 추출부 및 합성곱 신경망(CNN)과 장기 기억 신경망(LSTM)이 직렬 병합된 하이브리드 모델을 이용하여 상기 다수 개의 QRS 영역을 분석한 후 부정맥 유무를 판단하는 판단부를 포함하는 신경망을 이용한 부정맥 분류 시스템 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an arrhythmia classification system and method using a neural network. ) and a long-term memory neural network (LSTM) are serially merged to analyze the plurality of QRS regions and then to an arrhythmia classification system and method using a neural network including a determination unit for determining the presence or absence of an arrhythmia.

Description

신경망을 이용한 부정맥 분류 시스템 및 방법 {Arrhythmia Classification Method Using Neural Network and Method Thereof}Arrhythmia Classification Method Using Neural Network and Method Thereof

본 발명은 신경망을 이용한 부정맥 분류 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 합성곱 신경망(Convolutional Neural Network; CNN)과 장단기 기억 신경망(Long Short-Term Memory; LSTM)을 결합한 하이브리드 모델을 이용하여 부정맥을 분류할 수 있는 신경망을 이용한 부정맥 분류 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an arrhythmia classification system and method using a neural network, and more specifically, to arrhythmia using a hybrid model combining a convolutional neural network (CNN) and a long short-term memory (LSTM). It relates to an arrhythmia classification system and method using a classifiable neural network.

부정맥은 심장 박동이 비정상적으로 빨라지거나 늦어지거나 혹은 불규칙하게 뛰고 있는 상태를 말한다. 정상 맥박수는 분당 60-100회로, 맥박수가 분당 50회 미만이면 '서맥', 분당 100회 이상이면 '빈맥'이라고 부른다. 부정맥은 증상이 즉시 나타나는 경우도 있지만, 간헐적으로 나타난 후 저절로 소실되는 경우가 많기 때문에 적시에 발견해 치료하지 않으면 뇌졸중, 심정지 등을 유발하여 사망에 이를 수 있다. 따라서 조기 진단을 통한 관리가 무엇보다 중요하다.Arrhythmia is a condition in which the heart beats abnormally fast, slow, or irregularly. A normal heart rate is 60-100 beats per minute, a heart rate of less than 50 beats per minute is called 'bradycardia', and a heart rate of more than 100 beats per minute is called 'tachycardia'. Arrhythmia may cause symptoms immediately, but often disappears spontaneously after appearing intermittently, so if not detected and treated in a timely manner, it can cause stroke, cardiac arrest, etc., leading to death. Therefore, management through early diagnosis is of utmost importance.

일반적으로 부정맥을 진단하는 방법은 심전도 신호를 이용하여 웨이블릿 변환(wavelet transform), 통계적(statistical) 방법, 형태학적(morphological) 방법 등이 이용될 수 있으나, 심전도 신호의 특징을 추출하는 과정에서 잡음(signal noise)이 포함될 경우 부정맥 분류 시 성능 하락이 나타날 수 있다.In general, as a method of diagnosing arrhythmia, wavelet transform, statistical method, morphological method, etc. may be used using the ECG signal, but noise ( If signal noise) is included, performance degradation may occur in arrhythmia classification.

또한, 최근에는 컴퓨터 성능의 발전으로 회귀(regression) 및 분류 문제를 해결하는데 있어 머신러닝(Machine Learning; ML), 합성곱 신경망(CNN), 순환 신경망(RNN) 등의 심층망(Deep Learning; DL)을 이용한 부정맥 분류 방법이 제안되었다. 하지만 합성곱 신경망(CNN)은 시간적 특성을 반영할 수 없는 단점이 있으며 순환신경망(RNN)은 시간적 특성을 반영할 수 있자만 학습이 진행될수록 학습능력이 현저히 줄어드는 장기 의존성 문제가 발생하게 된다. In addition, in recent years, with the development of computer performance, deep learning (DL) such as machine learning (ML), convolutional neural network (CNN), and recurrent neural network (RNN) are used to solve regression and classification problems. ) was proposed to classify arrhythmias. However, convolutional neural networks (CNNs) have a disadvantage in that they cannot reflect temporal characteristics, and recurrent neural networks (RNNs) can reflect temporal characteristics, but as learning progresses, a long-term dependency problem occurs in which learning ability is significantly reduced.

부정맥을 판단하는데 있어서, 관련문헌 1은 심장 부정맥을 분류하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, ECG 비트 영역을 세그멘팅 하고, 각각의 ECG 비트의 영역을 심볼릭 합계 근사치(SAX) 심볼로 변환하여 부정맥 유형을 분류할 수 있으나, 이는 종래의 통계적(statistical) 및 형태학적(morphological) 방법을 이용하여 부정맥을 분류한 것으로 앞서 언급한 것과 같이 심전도 신호의 특징을 추출하는 과정에서 잡음이 포함될 경우 부정맥 분류에 성능 하락이 발생할 수 있다.In determining arrhythmias, Related Document 1 relates to a method and apparatus for classifying cardiac arrhythmias, by segmenting an ECG bit area and converting each ECG bit area into a symbolic sum approximation (SAX) symbol to be an arrhythmia type. can be classified, but this classifies arrhythmias using conventional statistical and morphological methods. As mentioned above, when noise is included in the process of extracting the ECG signal features, the performance decline may occur.

KR 10-1977745KR 10-1977745

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 심전도 특징을 추출하는 과정에서 잡음을 제거할 수 있고, 공간적 및 시간적 특징이 모두 반영되어 종래보다 정확한 부정맥 판단이 가능하도록 합성곱 신경망(CNN)과 장기 기억 신경망(LSTM)이 직렬 병합된 하이브리드 모델을 이용하여 상기 다수 개의 QRS 영역을 분석한 후 부정맥 유무를 판단하는 신경망을 이용한 부정맥 분류 시스템 및 방법을 얻고자 하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, and noise can be removed in the process of extracting electrocardiogram features, and both spatial and temporal features are reflected to enable more accurate arrhythmia determination than before. An object of the present invention is to obtain an arrhythmia classification system and method using a neural network that determines the presence or absence of an arrhythmia after analyzing the plurality of QRS regions using a hybrid model in which a memory neural network (LSTM) is serially merged.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 신경망을 이용한 부정맥 분류 시스템은 ECG 신호를 획득한 후 전처리하는 전처리부; 전처리된 상기 ECG 신호에서 다수 개의 QRS 영역을 추출하는 추출부; 및 합성곱 신경망(CNN)과 장기 기억 신경망(LSTM)이 직렬 병합된 하이브리드 모델을 이용하여 상기 다수 개의 QRS 영역을 분석한 후 부정맥 유무를 판단하는 판단부;를 제공한다.In order to achieve the above object, the arrhythmia classification system using the neural network of the present invention includes a pre-processing unit for pre-processing after obtaining an ECG signal; an extraction unit extracting a plurality of QRS regions from the preprocessed ECG signal; and a determination unit that analyzes the plurality of QRS regions using a hybrid model in which a convolutional neural network (CNN) and a long-term memory neural network (LSTM) are serially merged, and determines whether or not there is an arrhythmia.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 신경망을 이용한 부정맥 분류 방법은 전저리부에 의하여, ECG 신호를 획득한 후 전처리하는 전처리단계; 추출부에 의하여, 전처리된 상기 ECG 신호에서 다수 개의 QRS 영역을 추출하는 추출단계; 및 판단부에 의하여, 합성곱 신경망(CNN)과 장기 기억 신경망(LSTM)이 직렬 병합된 하이브리드 모델을 이용하여 상기 다수 개의 QRS 영역을 분석한 후 부정맥 유무를 판단하는 판단단계;를 제공한다.In order to achieve the above object, the arrhythmia classification method using the neural network of the present invention includes a pre-processing step of pre-processing after obtaining an ECG signal by a pre-registration unit; an extraction step of extracting a plurality of QRS regions from the preprocessed ECG signal by an extraction unit; and a determination step of determining, by a determination unit, whether there is an arrhythmia after analyzing the plurality of QRS regions using a hybrid model in which a convolutional neural network (CNN) and a long-term memory neural network (LSTM) are serially merged.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 합성곱 신경망(CNN)과 장기 기억 신경망(LSTM)이 직렬 병합된 하이브리드 모델을 이용하여 상기 다수 개의 QRS 영역을 분석한 후 부정맥 유무를 판단하도록 구성함으로써, 심전도 특징을 추출하는 과정에서 잡음을 제거할 수 있고, 공간적 및 시간적 특징이 모두 반영되어 종래보다 정확한 부정맥 판단이 가능한 효과가 있다.As described above, according to the present invention, a hybrid model in which a convolutional neural network (CNN) and a long-term memory neural network (LSTM) are serially merged is used to analyze the plurality of QRS regions and then determine the presence or absence of arrhythmia, thereby determining the ECG characteristics. In the process of extraction, noise can be removed, and both spatial and temporal characteristics are reflected, so that arrhythmia can be determined more accurately than before.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델 구성도이다.
도 2는 종래 합성곱 신경망(CNN)(a)과 종래 장기 기억 신경망(LSTM)(b)을 표시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 ECG 신호(a)와 QRS 영역(b)을 표시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 ECG 신호의 형상에 따라 의료기기 관련 표준 발간 업체인 AAMI가 분류한 5가지의 클래스를 표시한 도면이다.
도 5는 종래 LSTM 단독으로 사용한 경우의 학습 정확도(a) 및 손실(b)과 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델을 사용한 경우의 학습 정확도(c)와 손실(d)을 표시한 도면이다.
1 is a configuration diagram of a hybrid model according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a conventional convolutional neural network (CNN) (a) and a conventional long-term memory neural network (LSTM) (b).
3 is a diagram showing an ECG signal (a) and a QRS area (b) according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing five classes classified by AAMI, a medical device-related standard publisher, according to the shape of an ECG signal according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing learning accuracy (a) and loss (b) when using a conventional LSTM alone and learning accuracy (c) and loss (d) when using a hybrid model according to an embodiment of the present invention .

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in this specification have been selected from general terms that are currently widely used as much as possible while considering the functions in the present invention, but these may vary depending on the intention of a person skilled in the art, precedent, or the emergence of new technologies. In addition, in a specific case, there is also a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, not simply the name of the term.

다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this application, it should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

신경망을 이용한 부정맥 분류 시스템Arrhythmia classification system using neural network

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델 구성도이다. 도 2는 종래 합성곱 신경망(CNN)(a)과 종래 장기 기억 신경망(LSTM)(b)을 표시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 ECG 신호(a)와 QRS 영역(b)을 표시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 ECG 신호의 형상에 따라 의료기기 관련 표준 발간 업체인 AAMI가 분류한 5가지의 클래스를 표시한 도면이다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a configuration diagram of a hybrid model according to an embodiment of the present invention. 2 is a diagram showing a conventional convolutional neural network (CNN) (a) and a conventional long-term memory neural network (LSTM) (b). 3 is a diagram showing an ECG signal (a) and a QRS area (b) according to an embodiment of the present invention. 4 is a diagram showing five classes classified by AAMI, a medical device-related standard publisher, according to the shape of an ECG signal according to an embodiment of the present invention.

우선, 본 발명의 신경망을 이용한 부정맥 분류 시스템은 ECG 신호를 획득한 후 전처리하는 전처리부(100), 전처리된 상기 ECG 신호에서 다수 개의 QRS 영역을 추출하는 추출부(200) 및 합성곱 신경망(CNN)과 장기 기억 신경망(LSTM)이 직렬 병합된 하이브리드 모델을 이용하여 상기 다수 개의 QRS 영역을 분석한 후 부정맥 유무를 판단하는 판단부(300)를 포함한다.First, the arrhythmia classification system using the neural network of the present invention includes a pre-processing unit 100 that acquires and pre-processes an ECG signal, an extraction unit 200 that extracts a plurality of QRS regions from the pre-processed ECG signal, and a convolutional neural network (CNN). ) and a long-term memory neural network (LSTM) are serially merged using a hybrid model to analyze the plurality of QRS regions and then determine the presence or absence of arrhythmia (300).

보다 구체적으로, 상기 ECG 신호는 심장의 전기적 활동을 증폭하여 기록되는 심전도를 일컫는다. 상기 전처리부(100)는 상기 ECG 신호를 비트(beat)별로 잘라낸 후 각 비트(beat)의 길이를 동일하게 맞출 수 있도록 특정한 값을 채우지 않고 데이터의 크기를 조정하는 제로패딩(Zero-Padding)을 수행할 수 있다. More specifically, the ECG signal refers to an electrocardiogram recorded by amplifying the electrical activity of the heart. The pre-processing unit 100 cuts the ECG signal beat by beat and performs zero-padding to adjust the size of data without filling in a specific value so that the length of each beat can be equal. can be done

다음으로, 상기 추출부(200)는 상기 전처리부(100)로부터 획득한 동일한 길이를 갖는 다수 개의 비트(beat)를 대상으로 R파를 각각 검출할 수 있다. 이는 도 3의 (a)에서 표시하고 있다. 그리고 상기 R파는 심전도에 있어서 심실내흥분전도파 가운데 상향의 극파이고, 검출된 상기 R파를 포함하는 R영역, 상기 R영역 이전의 Q영역, 상기 R영역 이후의 S영역을 포함할 수 있다. 여기서, 형태변화에 대한 공간적 특성을 더 국소적으로 포착할 수 있는 특성을 부각시키기 위해서 상기 추출부(200)는 상기 R파 위치 전 0.194초의 지점을 Q 영역 그리고 상기 R파 위치 후 0.277초의 지점을 S 영역으로 설정하는 것이 가장 바람직하다. 따라서 상기 추출부(200)는 상기 QRS 영역을 포함한 심전도의 특징파형을 포함할 수 있도록 할 수 있다. 즉, 도 3의 (b)와 같이 상기 추출부(200)로부터 임의의 상기 QRS 영역이 추출될 수 있다. Next, the extraction unit 200 may detect R waves respectively for a plurality of beats having the same length obtained from the preprocessing unit 100 . This is indicated in (a) of FIG. 3 . The R wave is an upward spike wave among intraventricular excitation waves in the electrocardiogram, and may include an R region including the detected R wave, a Q region before the R region, and an S region after the R region. Here, in order to highlight the characteristics of capturing the spatial characteristics of the shape change more locally, the extraction unit 200 selects a point 0.194 seconds before the R wave in the Q area and a point 0.277 seconds after the R wave. It is most preferable to set it to the S area. Accordingly, the extractor 200 may include the characteristic waveform of the electrocardiogram including the QRS region. That is, as shown in (b) of FIG. 3 , any QRS region may be extracted from the extraction unit 200 .

다음으로, 상기 판단부(300) 내 저장된 상기 하이브리드 모델은 종래 합성곱 신경망(CNN) 또는 장기 기억 신경망(LSTM) 각각의 문제점을 해결하기 위해서 합성곱 신경망(CNN) 다음에 장기 기억 신경망(LSTM)이 직렬 병합된 모델이다. Next, the hybrid model stored in the determination unit 300 is a convolutional neural network (CNN) followed by a long-term memory neural network (LSTM) to solve problems of each of the conventional convolutional neural network (CNN) or long-term memory neural network (LSTM). This is the serially merged model.

도 2의 (a)를 보면, 일반적으로 합성곱 신경망(CNN)은 입력값에 대하여 합성곱(Convolution) 계층 및 풀링(Pooling) 계층을 반복적으로 거친 후 완전연결(Fully Connected) 계층을 통해 출력값을 출력하고 소프트맥스(Softmax) 함수를 통해 확률 값으로 변환할 수 있다. 여기서, 합성곱 신경망(CNN)은 합성곱 계층의 수가 많아질수록 즉, 계층이 깊어질수록 입력값에 대한 많은 정보를 학습할 수 있는 장점이 있으나, 입력값의 지역적 특성에만 적응하게 되는 과다학습(Overfitting) 현상이 발생하게 된다. 또한, 합성곱 신경망(CNN)은 순서가 중요하지 않은 정보들이 공통으로 가지는 특징들만 관심이 있기 때문에 실시간으로 들어오는 입력값의 정보들의 순서관계를 처리할 수 없다. Referring to (a) of FIG. 2, in general, a convolutional neural network (CNN) repeatedly passes through a convolution layer and a pooling layer for an input value, and then outputs an output value through a fully connected layer. It can be output and converted into a probability value through the Softmax function. Here, the convolutional neural network (CNN) has the advantage of being able to learn a lot of information about input values as the number of convolutional layers increases, that is, as the layers deepen, but overlearning that adapts only to the local characteristics of the input values. (Overfitting) phenomenon occurs. In addition, since a convolutional neural network (CNN) is interested only in features common to information whose order is not important, it cannot process the order relation of input information in real time.

이러한 문제를 해결하기 위해서 상기 하이브리드 모델은 도 1과 같이 n개의 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층을 포함하고, 상기 n개의 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층은 각각 ReLU 활성화 함수와 배치 정규화(Batch Normalization)가 가능한 정규화 계층을 포함하고, 상기 n개의 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층 중에서 1 번째 내지 n-1 번째의 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층은 최대 풀링(Max Pooling)이 가능한 풀링 층을 포함하고, n번째의 상기 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층은 상기 장기 기억 신경망(LSTM)에 충분한 정보를 제공할 수 있도록 상기 풀링 층을 포함하지 않는 것을 특징으로 한다. 여기서, n은 양의 정수이다.To solve this problem, the hybrid model includes n 1D Convolution layers as shown in FIG. 1, and each of the n 1D Convolution layers has a ReLU activation function and batch normalization ( It includes a normalization layer capable of batch normalization, and among the n 1D Convolution layers, the 1st to n-1 1D Convolution layers are capable of Max Pooling. A pooling layer is included, and the n-th 1D convolution layer does not include the pooling layer to provide sufficient information to the long-term memory neural network (LSTM). Here, n is a positive integer.

보다 구체적으로, 상기 하이브리드 모델의 상기 합성곱 신경망(CNN)은 1차원 데이터인 상기 다수 개의 QRS 영역으로부터 특징 벡터값을 추출하기 위해서 상기 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층을 포함할 수 있다. 상기 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층은 가장 바람직하게 8개가 구비되어 각각의 계층에서 합성곱 연산이 수행될 수 있고, 상기 다수 개의 QRS 영역의 공간적 특징이 추출될 수 있다. 여기서, 본 발명의 하이브리드 모델은 합성곱 연산을 수행할 때의 커널 크기(Kernel Size)를 2, 합성곱 연산에서 이동하는 보폭 값을 정하는 스트라이드(Stride) 값이 1로 설정되는 것이 가장 바람직하다.More specifically, the convolutional neural network (CNN) of the hybrid model may include the 1D convolution layer to extract feature vector values from the plurality of QRS regions, which are 1D data. Most preferably, eight 1D convolution layers are provided so that a convolution operation can be performed in each layer, and spatial features of the plurality of QRS regions can be extracted. Here, in the hybrid model of the present invention, it is most preferable that the kernel size when performing the convolution operation is set to 2, and the stride value for determining the step value moving in the convolution operation is set to 1.

그리고 8개의 상기 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층은 각각 ReLU 활성화 함수와 배치 정규화(Batch Normalization)가 가능한 정규화 계층을 포함할 수 있다. 즉, 임의의 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층에서 다음의 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층으로 넘어가기 전에 활성화 및 정규화 과정을 거칠 수 있다.In addition, each of the eight 1D convolution layers may include a ReLU activation function and a normalization layer capable of batch normalization. That is, activation and normalization processes may be performed before moving from an arbitrary 1D convolution layer to the next 1D convolution layer.

그리고 임의의 계층의 출력값이 다음 계층의 입력값이 될 때 상기 입력값의 길이를 효과적으로 줄임과 동시에 주요 특징들을 추출할 수 있도록 8개의 상기 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층 중에서 1번째 내지 7번째까지의 상기 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층은 최대 풀링(Max Pooling)이 가능한 풀링 층을 포함할 수 있다. 다만. 마지막 8번째 상기 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층은 상기 장기 기억 신경망(LSTM)의 입력값으로 충분한 정보를 제공하기 위해서 상기 풀링층을 포함하지 않고, 이에 따라 상기 최대 풀링(Max Pooling)이 적용되지 않는 것이 가장 바람직하다.In addition, when the output value of a certain layer becomes the input value of the next layer, the first to seventh layers among the eight 1D Convolution layers can be used to effectively reduce the length of the input value and extract main features. The 1D convolution layer up to may include a pooling layer capable of max pooling. but. The last eighth 1D convolution layer does not include the pooling layer in order to provide sufficient information as an input value of the long-term memory neural network (LSTM), and thus the maximum pooling is applied. It is best not to.

따라서 상기 하이브리드 모델의 합성곱 신경망(CNN)은 구비된 8개의 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층을 이용하여 상기 다수 개의 QRS 영역으로부터 특징 벡터값을 추출함으로써 공간적 특징을 추출할 수 있다. 그리고 상기 하이브리드 모델의 합성곱 신경망(CNN)은 마지막 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층 다음에 배치된 장기 기억 신경망(LSTM)의 입력값으로 공간적 특징 및 시간적 특징을 갖는 상기 다수 개의 QRS 영역을 제공할 수 있다는 점에서 종래 단순 장기 기억 신경망(LSTM)과 분명한 차이점이 있다.Therefore, the convolutional neural network (CNN) of the hybrid model can extract spatial features by extracting feature vector values from the plurality of QRS regions using eight 1D convolution layers. In addition, the convolutional neural network (CNN) of the hybrid model provides the plurality of QRS regions having spatial and temporal characteristics as input values of the long-term memory neural network (LSTM) disposed after the last 1D convolution layer. There is a clear difference from the conventional simple long-term memory neural network (LSTM) in that it can do this.

다음으로, 상기 하이브리드 모델의 장기 기억 신경망(LSTM)의 세부구조는 상기 도 2의 (b)와 같이 종래와 동일한 구조를 가질 수 있다. 상기 장기 기억 신경망(LSTM)은 종래 순환신경망(RNN) 모델에서 장기간 학습 시 생기는 기울기의 소실과 폭발 문제를 개선하기 위해 제안된 것으로, 망각(Forget) 게이트, 입력(Input) 게이트, 출력(Output) 게이트를 포함할 수 있다. 즉, 상기 3가지 게이트를 이용하여 정보를 제어하고 이를 Cell-state를 통해 각 게이트의 연산된 값을 전달할 수 있다. 가장 첫 번째 게이트인 망각(Forget) 게이트는 과거의 정보를 얼마나 잊을지 또는 기억할지를 하기 [수학식 1]을 이용하여 결정할 수 있다. Next, the detailed structure of the long-term memory neural network (LSTM) of the hybrid model may have the same structure as the conventional one as shown in (b) of FIG. 2. The long-term memory neural network (LSTM) is proposed to improve the problem of loss and explosion of the gradient that occurs during long-term learning in the conventional recurrent neural network (RNN) model, and includes a forget gate, an input gate, and an output Can contain gates. That is, information can be controlled using the three gates and the calculated value of each gate can be transmitted through the cell-state. The first gate, the forget gate, can determine how much to forget or remember past information using Equation 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, ht-1은 이전 시점(t-1)의 출력값이고, xt는 현 시점(t)의 입력값이고, Wf는 상기 망각(Forget) 게이트의 가중치이고, bf는 상기 망각(Forget) 게이트의 편향(bias)이고,

Figure pat00002
는 0과 1사이의 값으로 출력할 수 있는 시그모이드(Sigmoid) 활성화 함수이다. Here, h t-1 is the output value at the previous time point (t-1), x t is the input value at the current time point (t), W f is the weight of the forget gate, and b f is the forget ( is the bias of the Forget gate,
Figure pat00002
is a sigmoid activation function that can output a value between 0 and 1.

따라서 상기 망각(Forget) 게이트는 상기 [수학식 1]로부터 출력된 출력값(ft)이 0에 가까울수록 많은 정보를 잊은 것이고, 1에 가까울수록 많은 정보를 기억하는 것이며, 중간이 있는 값은 가능한 모든 후보를 나타낸다. 그리고 상기 출력값(ft)은 이전 기억셀(Ct-1)과 원소별 곱 연산을 수행할 수 있다. Therefore, the Forget gate will forget more information as the output value (f t ) output from [Equation 1] is closer to 0, and remember more information as it is closer to 1. represent all candidates. In addition, the output value f t may be multiplied with the previous memory cell C t-1 by element.

다음으로, 상기 입력(Input) 게이트는 하기 [수학식 2]를 이용하여 새로운 정보를 Cell-state에 저장할지를 결정하는 게이트이다. Next, the input gate is a gate that determines whether to store new information in the cell-state using the following [Equation 2].

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, ht-1은 이전 시점(t-1)의 출력값이고, xt는 현 시점(t)의 입력값이고, Wi는 상기 입력(Input) 게이트의 가중치이고, bi는 상기 입력(Input) 게이트의 편향(bias)이고,

Figure pat00004
는 0과 1사이의 값으로 출력할 수 있는 시그모이드(Sigmoid) 활성화 함수이다. Here, h t-1 is the output value at the previous time point (t-1), x t is the input value at the current time point (t), W i is the weight of the Input gate, and b i is the input ( Input) is the bias of the gate,
Figure pat00004
is a sigmoid activation function that can output a value between 0 and 1.

그리고

Figure pat00005
는 새로운 기억 셀이고. ht-1은 이전 시점의 출력값이고, xt는 현재 시점의 입력값이고, WC는 상기 새로운 기억 셀의 가중치이고, bc는 상기 새로운 기억 셀의 편향(bias)이다. 즉, 하이퍼볼릭 탄젠트(Hyperbolic tangent) 연산, 즉, -1과 1 사이의 값을 가지는 함수로 취하여 새로 추가되는 각 원소가 정보로써 얼마큼의 가치가 있는지를 판단할 수 있다.and
Figure pat00005
is the new memory cell. h t-1 is an output value at a previous time point, x t is an input value at a current time point, W C is a weight of the new memory cell, and b c is a bias of the new memory cell. That is, it is possible to determine how much value each newly added element is as information by taking it as a hyperbolic tangent operation, that is, a function having a value between -1 and 1.

또한, 상기 입력(Input) 게이트는 하기 [수학식 3]을 이용하여 망각(Forget) 게이트로부터 출력된 출력값(ft)과 상기 [수학식 2]로부터 얻어진 값들을 바탕으로 갱신(update)된 셀(Ct)을 생성할 수 있다. In addition, the input gate is a cell updated based on the output value (f t ) output from the forget gate using the following [Equation 3] and the values obtained from the [Equation 2] (C t ) can be created.

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서, ft는 상기 [수학식 1]로부터 출력된 출력값이고, Ct-1은 이전 기억셀이고, it는 상기 [수학식 2]로부터 출력된 출력값이고,

Figure pat00007
는 새로운 기억 셀이다. Here, f t is the output value output from [Equation 1], C t-1 is the previous memory cell, i t is the output value output from [Equation 2],
Figure pat00007
is a new memory cell.

다음으로, 상기 출력(Output) 게이트는 상기 [수학식 2]로부터 출력된 새로운 기억 셀(

Figure pat00008
)과 상기 [수학식 3]으로부터 출력된 갱신(update)된 셀(Ct)을 하기 [수학식 4]를 이용하여 Cell-state에 얼마나 반영시킬지 결정한 후 최종 출력값(ht)이 생성될 수 있다.Next, the output gate is a new memory cell output from [Equation 2] (
Figure pat00008
) and the updated cell (C t ) output from [Equation 3] is determined by using the following [Equation 4] to reflect the cell-state, and then the final output value (h t ) can be generated there is.

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서, ht-1은 이전 시점(t-1)의 출력값이고, xt는 현 시점(t)의 입력값이고, Wo는 상기 출력(Output) 게이트의 가중치이고, bo는 상기 출력(Output) 게이트의 편향(bias)이고,

Figure pat00010
는 0과 1사이의 값으로 출력할 수 있는 시그모이드(Sigmoid) 활성화 함수이다.Here, h t-1 is the output value at the previous time point (t-1), x t is the input value at the current time point (t), W o is the weight of the Output gate, and b o is the output ( Output is the bias of the gate,
Figure pat00010
is a sigmoid activation function that can output a value between 0 and 1.

그리고 상기 출력(Output) 게이트는 상기 [수학식 3]으로부터 출력된 갱신(update)된 셀(Ct)에 대한 하이퍼볼릭 탄젠트(Hyperbolic tangent) 연산, 즉, -1과 1 사이의 값을 가지는 함수로 취한 후 상기 [수학식 4]로부터 출력된 출력값(ot)을 곱산하여 최종적으로 최종 출력값(ht)을 생성할 수 있다.And the Output gate is a hyperbolic tangent operation for the updated cell (C t ) output from [Equation 3], that is, a function having a value between -1 and 1 After taking as , the final output value (h t ) may be finally generated by multiplying the output value (o t ) output from [Equation 4].

다시 말하면, 상기 장기 기억 신경망(LSTM)은 종래 순환신경망(RNN)과 달리 기억 셀이라는 것이 존재하고 이를 활용하기 위해 3개의 게이트가 포함될 수 있다. 상기 기억 셀은 역전파 시 덧셈과 곱셈 노드만을 지나고, 덧셈 노드는 역전파시 전해지는 기울기를 기대로 흘리기 때문에 기울기 소실이 발생하지 않으며 기억 셀에서 사용되는 곱셈 노드는 행렬 곱이 아닌 원소별 곱이기 때문에 매번 새로운 게이트 값을 사용함으로 곱셈의 효과가 누적되지 않아 기울기 소실이 발생하지 않는 효과가 있다. In other words, the long-term memory neural network (LSTM), unlike the conventional recurrent neural network (RNN), has a memory cell and may include three gates to utilize it. The memory cell passes only the addition and multiplication nodes during backpropagation, and since the addition node passes the gradient transmitted during backpropagation as an expectation, gradient loss does not occur, and since the multiplication node used in the memory cell is an element-by-element product rather than a matrix product, each time By using a new gate value, the effect of multiplication is not accumulated, so there is an effect that the loss of the gradient does not occur.

다음으로, 상기 하이브리드 모델은 상기 장기 기억 신경망(LSTM) 다음에 배치된 플래튼 계층(Flatten Layer)을 통해서 상기 장기 기억 신경망(LSTM)으로부터 출력된 최종 출력값(ht)을 1차원으로 다시 변환한 후 전 결합(Fully Connected) 계층으로 전달할 수 있고, 상기 전 결합(Fully Connected) 계층으로부터 출력된 출력값은 소프트맥스(Softmax) 함수를 통해 5 가지의 클래스 중에서 가장 높은 확률 값을 갖는 클래스가 분석 결과로 도출될 수 있다. Next, the hybrid model converts the final output value (h t ) output from the long-term memory neural network (LSTM) back to one-dimensional through a flatten layer disposed after the long-term memory neural network (LSTM) After that, it can be passed to the Fully Connected layer, and the output value output from the Fully Connected layer is the class with the highest probability value among the five classes through the Softmax function as the analysis result. can be derived.

따라서 본 발명의 상기 하이브리드 모델은 상기 합성곱 신경망(CNN)을 통해서 상기 다수 개의 QRS 영역의 공간적 특징을 추출한 후 상기 공간적 특징을 시계열 데이터의 순차적 특징을 고려할 수 있는 상기 장기 기억 신경망(LSTM)의 입력 자료로 이용함으로써 상기 다수 개의 QRS 영역의 시간적 및 공간적 특징을 모두 추출하여 분석할 수 있는 현저한 효과가 있다.Therefore, the hybrid model of the present invention extracts the spatial features of the plurality of QRS regions through the convolutional neural network (CNN) and then inputs the spatial features to the long-term memory neural network (LSTM) that can consider sequential features of time series data. By using it as data, there is a remarkable effect of extracting and analyzing all of the temporal and spatial features of the plurality of QRS regions.

또한, 상기 판단부(300)는 상기 추출부(200)로부터 추출된 상기 다수 개의 QRS 영역 중에서 임의의 3개의 QRS 영역을 하나의 그룹으로 결정할 수 있다. 그리고 상기 판단부(300)는 상기 그룹 내 모든 QRS 영역이 모두 정상 심장 박동에 해당할 경우 정상이라고 판단하고, 상기 그룹 내 적어도 하나의 QRS 영역이 정상 심장 박동에 해당하지 않을 경우 부정맥이라고 판단할 수 있다.Also, the determination unit 300 may determine three arbitrary QRS areas among the plurality of QRS areas extracted by the extraction unit 200 as one group. In addition, the determination unit 300 may determine that all QRS regions in the group correspond to normal heartbeats as normal, and may determine arrhythmia if at least one QRS region in the group does not correspond to normal heartbeats. there is.

다시 말하면, 상기 판단부(300)는 상기 하이브리드 모델을 통해서 출력된 상기 그룹 내 모든 분석 결과가 모두 정상 심장 박동 클래스로 분석된 경우 정상이라고 판단하고, 상기 그룹 내 적어도 하나의 분석 결과가 정상 심장 박동 클래스에 해당하지 않을 경우 부정맥이라고 판단할 수 있다.In other words, the determination unit 300 determines that all analysis results in the group output through the hybrid model are normal when they are all analyzed in the normal heart rate class, and at least one analysis result in the group is normal heart rate. If it does not fall under the class, it can be judged to be arrhythmia.

상기 5 가지 클래스는 의료기기 관련 표준을 발간하는 단체인 AAMI(Association for the Advancement of Medical Instrumentation)가 제안한 가이드라인을 채용한 것으로, N 클래스, S 클래스, V 클래스, F 클래스, Q 클래스를 포함할 수 있다.The above five classes adopt the guidelines proposed by AAMI (Association for the Advancement of Medical Instrumentation), an organization that publishes standards related to medical devices, and may include N class, S class, V class, F class, and Q class. can

상기 N 클래스는 도 4의 (a)의 형상이고 정상 심장 박동을 갖는 클래스이고, S 클래스는 도 4의 (b)의 형상이고 심방(atrium) 또는 방실결절(atrioventricular node)에 위치한 심실위(supraventricular) 이소성 박동을 갖는 클래스이고, V 클래스는 도 4의 (c)의 형상이고 심실(ventricular)과 관련된 이소성 박동을 갖는 클래스이고, F 클래스는 도 4의 (d)의 형상이고 이소성 박동이 심실에 도달하는 정상적인 전도와 일치하여 정상과 이소성 박동의 형태가 복합적(complex)으로 나타나는 융합(fusion) 박동을 갖는 클래스이고, Q 클래스는 도 4의 (e)의 형상이고 인공 심박동기인 페이스메이커(pacemaker)의 전기자극(electrical stimulation)에 의해 심장박동이 제어(control)되는 상태를 일컫는 페이스(paced) 박동(beat), 분류 불가능한(unclassifiable) 박동, 페이스 박동과 정상 박동이 융합된 박동(fusion of paced and normal beat)과 같이 클래스를 알 수 없는(unknown beat) 박동을 갖는 클래스이다.The N class has the shape of FIG. 4 (a) and has a normal heartbeat, and the S class has the shape of FIG. 4 (b) and is located in the atrium or atrioventricular node (supraventricular node) ) is a class with an ectopic beating, the V class is a class having an ectopic beating related to the ventricle in the shape of FIG. 4 (c), and the F class is a class having the shape of FIG. Consistent with the normal conduction that arrives, it is a class with fusion beats in which normal and ectopic beats appear as a complex, and the Q class has the shape of FIG. 4 (e) and is a pacemaker that is an artificial pacemaker. A state in which the heart rate is controlled by electrical stimulation of the heart: paced beat, unclassifiable beat, fusion of paced and normal beat beat) is a class that has an unknown beat.

예컨대, 상기 판단부(300)는 임의의 그룹을 분석했을 때 3개의 QRS 영역 모두 상기 N 클래스로 분석 결과가 도출된다면 해당 ECG 신호에 대해서는 부정맥이 없는 정상으로 판단할 수 있다. 반면에 3개의 QRS 영역 중에서 1개는 N 클래스, 또 다른 1개는 S 클래스, 나머지 1개는 F 클래스로 분석결과가 도출된다면 해당 ECG 신호에 대해서는 부정맥이 있는 것으로 판단할 수 있다.For example, the determination unit 300 may determine that the corresponding ECG signal is normal without arrhythmia if the analysis results of all three QRS areas are in the N class when a certain group is analyzed. On the other hand, if one of the three QRS areas is N class, another is S class, and the other is F class, if the analysis result is derived, it can be determined that the ECG signal has an arrhythmia.

따라서 본 발명에 의하면, 합성곱 신경망(CNN)과 장기 기억 신경망(LSTM)이 직렬 병합된 하이브리드 모델을 이용하여 상기 다수 개의 QRS 영역을 분석한 후 부정맥 유무를 판단함으로써, 심전도 특징을 추출하는 과정에서 잡음을 제거할 수 있고, 공간적 및 시간적 특징이 모두 반영되어 분석 결과를 도출하므로 종래보다 정확한 부정맥 판단이 가능한 현저한 효과가 있다.Therefore, according to the present invention, in the process of extracting electrocardiogram features by analyzing the plurality of QRS regions using a hybrid model in which a convolutional neural network (CNN) and a long-term memory neural network (LSTM) are serially merged, by determining the presence or absence of arrhythmias, Since noise can be removed and analysis results are derived by reflecting both spatial and temporal characteristics, there is a remarkable effect of enabling more accurate arrhythmia determination than before.

또한, 상기 판단부(300)는 데이터 셋을 이용하여 상기 하이브리드 모델의 손실(Loss)값을 도출하고, 최적화 함수인 Adam 함수를 이용하여 상기 손실(Loss)값에 따른 상기 하이브리드 모델 내 가중치를 갱신하는 학습부(310)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 가중치는 상기 합성곱 신경망(CNN) 내 다수 개의 뉴런이 입력값을 처리하기 위한 각각의 가중치, 상기 장기 기억 신경망(LSTM) 내 상기 망각(Forget) 게이트의 가중치(Wf), 상기 입력(Input) 게이트의 가중치(Wi) 및 상기 출력(Output) 게이트의 가중치(Wo)를 포함할 수 있다.In addition, the determination unit 300 derives a loss value of the hybrid model using a data set, and uses an Adam function that is an optimization function to update a weight in the hybrid model according to the loss value It may include a learning unit 310 to. Here, the weight is each weight for a plurality of neurons in the convolutional neural network (CNN) to process input values, the weight (W f ) of the forget gate in the long-term memory neural network (LSTM), the input It may include the weight (W i ) of the (Input) gate and the weight (W o ) of the output (Output) gate.

여기서, 상기 데이터 셋은 기 설정된 비율에 따라 학습 샘플과 검증 샘플로 분류되고, 각각의 샘플은 정상인지 부정맥인지에 대한 라벨링(Labeling)이 되어있는 상태이다. Here, the data set is classified into a learning sample and a verification sample according to a preset ratio, and each sample is labeled as to whether it is normal or arrhythmia.

그리고 상기 학습부(310)는 상기에서 언급한 5가지 클래스 중에서 가장 큰 출력값을 갖는 클래스인 분석 결과와 해당 샘플의 실제 정답과 비교하여 손실(Loss)값을 도출할 수 있다. 그리고 상기 학습부(310)는 상기 Adam 함수를 이용하여 손실(Loss)값에 따른 상기 하이브리드 모델의 가중치를 갱신함으로써, 상기 하이브리드 모델의 정확성을 자체적으로 향상시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.Further, the learning unit 310 may derive a loss value by comparing the analysis result, which is the class having the largest output value among the five classes mentioned above, with the actual correct answer of the corresponding sample. In addition, the learning unit 310 has a remarkable effect of improving the accuracy of the hybrid model by itself by updating the weight of the hybrid model according to the loss value using the Adam function.

신경망을 이용한 부정맥 분류 방법Arrhythmia classification method using neural network

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 신경망을 이용한 보정맥 분류 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전저리부(100)에 의하여, ECG 신호를 획득한 후 전처리하는 전처리단계(S100), 추출부(200)에 의하여, 전처리된 상기 ECG 신호에서 다수 개의 QRS 영역을 추출하는 추출단계(S200) 및 판단부(300)에 의하여, 합성곱 신경망(CNN)과 장기 기억 신경망(LSTM)이 직렬 병합된 하이브리드 모델을 이용하여 상기 다수 개의 QRS 영역을 분석한 후 부정맥 유무를 판단하는 판단단계(S300)를 포함한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It relates to a corrective vein classification method using a neural network of the present invention, and more specifically, a preprocessing step (S100) of acquiring and then preprocessing an ECG signal by the pretreatment unit 100, and preprocessing by the extraction unit 200 By the extraction step (S200) of extracting a plurality of QRS regions from the ECG signal and the determination unit 300, a hybrid model in which a convolutional neural network (CNN) and a long-term memory neural network (LSTM) are serially merged is used to obtain the plurality of QRS regions. After analyzing the QRS region, a determination step (S300) of determining whether or not there is an arrhythmia is included.

보다 구체적으로, 상기 전처리단계(S100)는 상기 ECG 신호가 비트(beat)별로 잘라진 후 각 비트(beat)의 길이가 동일하게 맞춰질 수 있도록 특정한 값이 채워지지 않고 데이터의 크기가 조정되는 제로패딩(Zero-Padding)이 수행될 수 있다.More specifically, the preprocessing step (S100) is zero padding in which the size of data is adjusted without filling in a specific value so that the length of each beat can be equally matched after the ECG signal is cut by beat ( Zero-Padding) may be performed.

다음으로, 상기 추출단계(S200)는 상기 전처리단계(S100)로부터 획득한 동일한 길이를 갖는 다수 개의 비트(beat)를 대상으로 R파가 각각 검출될 수 있다. 상기 R파는 심전도에 있어서 심실내흥분전도파 가운데 상향의 극파이고, 검출된 상기 R파를 포함하는 R영역, 상기 R영역 이전의 Q영역, 상기 R영역 이후의 S영역을 포함할 수 있다. 가장 바람직하게 도 3을 보면, 상기 추출단계(S200)는 상기 R파 위치 전 0.194초의 지점이 Q 영역 그리고 상기 R파 위치 후 0.277초의 지점이 S 영역으로 설정될 수 있다.Next, in the extraction step (S200), each R wave may be detected for a plurality of beats having the same length obtained from the preprocessing step (S100). The R wave is an upward spike wave among intraventricular excitation waves in the electrocardiogram, and may include an R region including the detected R wave, a Q region before the R region, and an S region after the R region. Most preferably, referring to FIG. 3, in the extraction step (S200), a point 0.194 seconds before the location of the R wave may be set as a Q area and a point 0.277 seconds after the location of the R wave may be set as an S area.

다음으로, 상기 판단단계(S300)는 상기 추출부(200)로부터 추출된 상기 다수 개의 QRS 영역 중에서 임의의 3개의 QRS 영역이 하나의 그룹으로 결정될 수 있다. 그리고 상기 판단단계(S300)는 상기 하이브리드 모델을 이용하여 도출된 분석 결과가 상기 그룹 내 모든 QRS 영역에 대해서 모두 정상 심장 박동에 해당할 경우 정상이라고 판단되고, 상기 그룹 내 적어도 하나의 QRS 영역에 대해서 정상 심장 박동에 해당하지 않을 경우 부정맥이라고 판단될 수 있다.Next, in the determining step (S300), three arbitrary QRS areas among the plurality of QRS areas extracted from the extraction unit 200 may be determined as one group. In the determination step (S300), if the analysis result derived using the hybrid model corresponds to a normal heartbeat for all QRS regions in the group, it is determined that the result is normal, and for at least one QRS region in the group If it does not correspond to a normal heartbeat, it can be judged as an arrhythmia.

예컨대, 상기 판단단계(S300)는 임의의 그룹이 분석되었을 때 3개의 QRS 영역 모두 상기 N 클래스로 분석 결과가 도출된다면 해당 ECG 신호에 대해서는 부정맥이 없는 정상으로 판단될 수 있다. 반면에 3개의 QRS 영역 중에서 1개는 N 클래스, 또 다른 1개는 S 클래스, 나머지 1개는 F 클래스로 분석 결과가 도출된다면 해당 ECG 신호에 대해서는 부정맥이 있는 것으로 판단될 수 있다.For example, in the determination step (S300), when an arbitrary group is analyzed and all three QRS regions are analyzed as N-class, the corresponding ECG signal may be determined to be normal without arrhythmia. On the other hand, if one of the three QRS areas is N class, another is S class, and the other is F class, if the analysis result is derived, it can be determined that there is arrhythmia in the corresponding ECG signal.

한편, 상기 판단단계(S300)는 데이터 셋이 이용되어 상기 하이브리드 모델의 손실(Loss)값이 도출되고, 최적화 함수인 Adam 함수가 이용되어 상기 손실(Loss)값에 따른 상기 하이브리드 모델 내 가중치가 갱신되는 학습단계(S310)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 학습단계(S310)는 상기에서 언급한 5가지 클래스 중에서 가장 큰 출력값을 갖는 클래스를 해당 샘플의 실제 정답과 비교하여 손실(Loss)값이 갱신될 수 있다. Meanwhile, in the determining step (S300), the data set is used to derive the loss value of the hybrid model, and the Adam function, which is an optimization function, is used to update the weight in the hybrid model according to the loss value It may include a learning step (S310) to be. That is, in the learning step (S310), the loss value may be updated by comparing the class having the largest output value among the five classes mentioned above with the actual correct answer of the corresponding sample.

여기서, 상기 가중치는 상기 합성곱 신경망(CNN) 내 다수 개의 뉴런이 입력값을 처리하기 위한 각각의 가중치, 상기 장기 기억 신경망(LSTM) 내 상기 망각(Forget) 게이트의 가중치(Wf), 상기 입력(Input) 게이트의 가중치(Wi) 및 상기 출력(Output) 게이트의 가중치(Wo)가 포함될 수 있다.Here, the weight is each weight for a plurality of neurons in the convolutional neural network (CNN) to process input values, the weight (W f ) of the forget gate in the long-term memory neural network (LSTM), the input The weight (W i ) of the (Input) gate and the weight (W o ) of the output (Output) gate may be included.

그리고 상기 데이터 셋은 기 설정된 비율에 따라 학습 샘플과 검증 샘플로 분류될 수 있고, 각각의 샘플은 정상인지 부정맥인지에 대한 라벨링(Labeling)이 되어있는 상태이다. 상기 학습단계(S310)는 기 설정된 횟수만큼 손실(Loss)값이 도출되고, 상기 Adam 함수가 이용되어 손실(Loss)값에 따른 상기 하이브리드 모델의 가중치가 반복적으로 갱신될 수 있다. 따라서 상기 판단단계(S300)는 갱신된 상기 하이브리드 모델이 이용되어 상기 다수 개의 QRS 영역이 해당하는 클래스가 보다 정확하게 분석될 수 있는 현저한 효과가 있다.Also, the data set may be classified into a learning sample and a verification sample according to a predetermined ratio, and each sample is labeled as to whether it is normal or arrhythmia. In the learning step (S310), a loss value is derived a predetermined number of times, and the weight of the hybrid model according to the loss value may be repeatedly updated by using the Adam function. Therefore, the determining step (S300) has a remarkable effect that the classes to which the plurality of QRS regions correspond can be more accurately analyzed by using the updated hybrid model.

따라서 본 발명에 의하면, 합성곱 신경망(CNN)과 장기 기억 신경망(LSTM)이 직렬 병합된 하이브리드 모델을 이용하여 상기 다수 개의 QRS 영역을 분석한 후 부정맥 유무를 판단함으로써, 심전도 특징을 추출하는 과정에서 잡음을 제거할 수 있고, 공간적 및 시간적 특징이 모두 반영되어 종래보다 정확한 부정맥 판단이 가능한 현저한 효과가 있다.Therefore, according to the present invention, in the process of extracting electrocardiogram features by analyzing the plurality of QRS regions using a hybrid model in which a convolutional neural network (CNN) and a long-term memory neural network (LSTM) are serially merged, by determining the presence or absence of arrhythmias, Noise can be removed, and both spatial and temporal characteristics are reflected, so there is a remarkable effect that arrhythmia can be determined more accurately than before.

실시예 1 (종래 LSTM과 성능 비교)Example 1 (performance comparison with conventional LSTM)

실험 파라미터 및 실험 조건Experimental parameters and experimental conditions

본원발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델을 학습 및 검증하기 위해서 8:2의 비율에 따라 학습 샘플과 검증 샘플로 분류된 상기 데이터 셋이 사용되었다. 이때. 각각의 샘플은 정상인지 부정맥인지에 대한 라벨링(Labeling)이 되어있는 상태이다. In order to learn and verify the hybrid model according to an embodiment of the present invention, the data set classified into a training sample and a verification sample according to a ratio of 8:2 was used. At this time. Each sample is in a state of being labeled for normal or arrhythmia.

본원발명의 일실시예에 따른 8개의 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층이 구비된 하이브리드 모델을 학습시키는데 있어서, 각 계층은 하기 [표 1]과 같은 파라미터를 갖는 각각의 콘볼루션 필터(Convolution Filter)를 통해서 출력값이 도출되었다. 그리고 이진 분류(Binary Classification)에 사용되는 이진 교차 엔트로피(Binary Cross Entropy, BCE)가 손실 함수로 사용되어 손실(Loss)값이 도출되었다. 상기 손실(Loss)값을 통해 상기 하이브리드 모델 내 가중치를 갱신하기 위해서 최적화 함수로 Adam 함수가 사용되었다. In learning a hybrid model equipped with eight 1D convolution layers according to an embodiment of the present invention, each layer has a convolution filter having parameters as shown in Table 1 below. ) through which the output value was derived. And, Binary Cross Entropy (BCE) used for binary classification was used as a loss function to derive a loss value. An Adam function was used as an optimization function to update the weight in the hybrid model through the loss value.

다시 말하면, 상기 하이브리드 모델 내에는 합성곱 신경망(CNN) 내 각 뉴런이 입력값을 처리하기 위한 가중치, 상기 망각(Forget) 게이트의 가중치(Wf), 상기 입력(Input) 게이트의 가중치(Wi), 상기 출력(Output) 게이트의 가중치(Wo)를 포함할 수 있다. 그리고 Adam 함수를 이용하여 각 가중치를 상기 손실(Loss)값에 기초하여 갱신할 수 있다. 여기서, Adam 함수는 일반적으로 경사하강법에서 초기값에 따라 지역 최솟값으로 빠져 정확하지 않은 최적화 값을 도출하게 되는 문제점을 해결하기 위하여 고안된 함수로, RMS Prop과 Momentum의 장점을 결합한 알고리즘이다. In other words, in the hybrid model, each neuron in the convolutional neural network (CNN) has a weight for processing an input value, a weight (W f ) of the forget gate, and a weight (W i ) of the input gate. ), and the weight (W o ) of the output gate. In addition, each weight may be updated based on the loss value by using the Adam function. Here, the Adam function is a function devised to solve the problem of deriving an inaccurate optimization value by falling to a local minimum value according to an initial value in gradient descent, and is an algorithm that combines the advantages of RMS Prop and Momentum.

Convolution FilterConvolution Filter ValueValue 1st convolution filter1st convolution filter 1616 2nd convolution filter2nd convolution filter 1616 3rd convolution filter3rd convolution filter 3232 4th convolution filter4th convolution filter 3232 5th convolution filter5th convolution filter 6464 6th convolution filter6th convolution filter 6464 7th convolution filter7th convolution filter 128128 8th convolution filter8th convolution filter 256256

또한, 본 실시예에서는 학습률이 0.001로 적용되었는데, 0.001을 초과할 경우 최저치에 수렴하지 않을 수 있으며, 0.001 미만일 경우 많은 학습시간이 소요되기 때문이다. In addition, in this embodiment, a learning rate of 0.001 is applied. If the learning rate exceeds 0.001, it may not converge to the lowest value, and if it is less than 0.001, a lot of learning time is required.

또한, 본 실시예에서는 배치 크기(Batch Size)가 64로 설정되었다. 여기서, 배치 크기(Batch Size)는 학습 샘플 중세서 ‘몇 개’의 샘플만이 분석 결과를 도출한 후 실제 학습 샘플의 결과값과 비교할지를 결정하는 하이퍼 파리미터이다. 배치 크기(Batch Size)가 64 미만일 경우 상기 장기 기억 신경망(LSTM)의 가중치 갱신이 자주 일어나 불안정하게 학습될 수 있으며, 64 초과일 경우 한 번에 많은 양의 연산을 수행해야함으로 학습 속도가 느려질 수 있다. 마지막으로, 데이터 셋 내 학습 샘플 전체에 대해 ‘몇 번’의 학습을 수행할 것인지를 결정하는 하이퍼 파라미터인 에포크(Epoch)가 10으로 설정되었다. 즉, 학습 샘플 전체에 대하여 상기 하이브리드 모델의 학습이 10번 수행되는 것이다. In addition, in this embodiment, the batch size (Batch Size) was set to 64. Here, the batch size is a hyperparameter that determines whether to compare the results of actual learning samples after only ‘how many’ samples in the middle of the learning sample derive the analysis result. If the batch size is less than 64, the weight update of the long-term memory neural network (LSTM) may occur frequently, resulting in unstable learning. there is. Finally, the hyperparameter Epoch, which determines how many times to perform training for all training samples in the data set, is set to 10. That is, the learning of the hybrid model is performed 10 times for all training samples.

즉, 상기 학습 샘플을 통한 학습 과정은 상기 장기 기억 신경망(LSTM)의 가중치를 갱신하는 것을 목적으로 하고, 상기 검증 샘플을 통한 검증 과정은 갱신된 가중치의 성능을 확인하는 것을 목적으로 함으로, 본 실시예에서는 학습 샘플을 통해서 1 에포크(Epoch) 마다 가중치를 갱신하고, 검증 샘플을 통해서 갱신된 가중치의 정확도를 확인하였다. That is, the learning process through the learning sample aims to update the weights of the long-term memory neural network (LSTM), and the verification process through the verification sample aims to confirm the performance of the updated weights. In the example, weights are updated every epoch through learning samples, and the accuracy of the updated weights is confirmed through verification samples.

실험결과 1Experiment result 1

도 5는 종래 LSTM 단독으로 사용한 경우의 학습 정확도(a) 및 손실(b)과 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델을 사용한 경우의 학습 정확도(c)와 손실(d)을 표시한 도면이다.5 is a diagram showing learning accuracy (a) and loss (b) when using a conventional LSTM alone and learning accuracy (c) and loss (d) when using a hybrid model according to an embodiment of the present invention .

보다 구체적으로, 도 5의 (a)는 종래 LSTM에서 학습 샘플을 통한 학습 과정(Training)의 1 내지 10의 에포크(Epoch)에 대한 정확도(Accuracy)와 종래 LSTM에서 검증 샘플을 통한 검증 과정(Validation)의 1 내지 10의 에포크(Epoch)에 대한 정확도(Accuracy)를 표시한 것으로, 종래 LSTM에서 각 과정의 정확도(Accuracy)는 0.9와 0.95 사이의 값에 수렴하였다. 그리고 10 에포크(Epoch) 이상에서는 정확도(Accuracy)가 모두 변하지 않음을 확인하였다.More specifically, (a) of FIG. 5 shows the accuracy (Accuracy) for epochs 1 to 10 of the training process (Training) through the learning sample in the conventional LSTM and the validation process (Validation) through the verification sample in the conventional LSTM ), and the accuracy of each process in the conventional LSTM converged to a value between 0.9 and 0.95. In addition, it was confirmed that the accuracy did not change at all over 10 epochs.

그리고 도 5의 (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델에서 학습 샘플을 통한 학습 과정(Training)의 1 내지 10의 에포크(Epoch)에 대한 정확도(Accuracy)와 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델에서 검증 샘플을 통한 검증 과정(Validation)의 1 내지 10의 에포크(Epoch)에 대한 정확도(Accuracy)를 표시한 것으로, 10 에포크(Epoch)에서 학습 과정(Training)의 정확도(Accuracy)는 0.987로 수렴하였고 검증 과정의(Validation)의 정확도(Accuracy)는 0.983으로 수렴하였다. 즉, 모든 과정의 모든 에포크(Epoch)에서 종래 LSTM의 정확도(Accuracy) 보다 높은 정확도(Accuracy)를 갖는 것을 확인하였다. 그리고 10 에포크(Epoch) 이상에서는 정확도(Accuracy)가 모두 변하지 않음을 확인하였다. 5(c) shows the accuracy of epochs 1 to 10 of the training process through training samples in the hybrid model according to an embodiment of the present invention and an embodiment of the present invention Accuracy for epochs 1 to 10 of the validation process (validation) through the validation sample in the hybrid model according to is displayed, Accuracy of the training process (Accuracy) in 10 epochs converged to 0.987 and the accuracy of the validation process converged to 0.983. That is, it was confirmed that the accuracy was higher than that of the conventional LSTM in all epochs of all processes. In addition, it was confirmed that the accuracy did not change at all over 10 epochs.

다음으로, 도 5의 (b)는 종래 LSTM에서 학습 샘플을 통한 학습 과정(Training)의 1 내지 10의 에포크(Epoch)에 대한 손실(loss)값과 종래 LSTM에서 검증 샘플을 통한 검증 과정(Validation)의 1 내지 10의 에포크(Epoch)에 대한 손실(loss)값을 표시한 것으로, 종래 LSTM에서 각 과정의 손실(loss)값은 0.15와 0.2 사이의 값에 수렴하였다. 그리고 10 에포크(Epoch) 이상에서는 손실(loss)값이 모두 변하지 않음을 확인하였다.Next, (b) of FIG. 5 shows loss values for epochs 1 to 10 of the training process through training samples in conventional LSTM and validation process through verification samples in conventional LSTM. ), and the loss value of each process in the conventional LSTM converged to a value between 0.15 and 0.2. And it was confirmed that all loss values did not change over 10 epochs.

그리고 도 5의 (d)는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델에서 학습 샘플을 통한 학습 과정(Training)의 1 내지 10의 에포크(Epoch)에 대한 손실(loss)값과 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델에서 검증 샘플을 통한 검증 과정(Validation)의 1 내지 10의 에포크(Epoch)에 대한 손실(loss)값을 표시한 것으로, 10 에포크(Epoch)에서 학습 과정(Training)의 손실(loss)값은 0.035로 수렴하였고 검증 과정의(Validation)의 손실(loss)값은 0.038로 수렴하였다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델은 모든 과정의 모든 에포크(Epoch)에서 종래 LSTM의 손실(loss)값 보다 낮은 손실(loss)값을 갖는 것을 확인하였다. 그리고 10 에포크(Epoch) 이상에서는 손실(loss)값이 모두 변하지 않음을 확인하였다. 5(d) shows loss values for epochs 1 to 10 of the training process through training samples in the hybrid model according to an embodiment of the present invention and an embodiment of the present invention In the hybrid model according to the example, loss values for epochs 1 to 10 of validation through validation samples are displayed, and loss of training at 10 epochs ( The loss value converged to 0.035 and the loss value of the validation process converged to 0.038. That is, it was confirmed that the hybrid model according to an embodiment of the present invention has a loss value lower than that of the conventional LSTM in all epochs of all processes. And it was confirmed that all loss values did not change over 10 epochs.

따라서 본원발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델의 입력값인 QRS 영역은 심전도의 지역적 특징이 매우 뚜렷하고 본원발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델은 종래 LSTM과 달리 지역적 특징이 매우 뚜렷한 QRS 영역의 공간적 특징을 추출할 수 있으므로, 본원발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델은 종래 LSTM 보다 높은 정확도(Accuracy)와 낮은 손실(loss)값에 수렴하는 것이 입증되었다.Therefore, the QRS region, which is the input value of the hybrid model according to an embodiment of the present invention, has very distinct regional characteristics of the electrocardiogram, and the hybrid model according to one embodiment of the present invention has very distinct spatial characteristics of the QRS region, unlike the conventional LSTM. Since can be extracted, it has been proven that the hybrid model according to an embodiment of the present invention converges to a higher accuracy and lower loss value than the conventional LSTM.

실시예 2 (하이브리드 모델 성능 검증)Example 2 (Hybrid model performance verification)

실험 파라미터 및 실험 조건Experimental parameters and experimental conditions

실시예 1과 실험 파라미터 및 실험 조건은 동일하다. 본 실시예에서는 본 발명의 하이브리드 모델로부터 출력되는 분석 결과인 클래스 분류에 대한 성능 평가를 진행하였다. 즉, 데이터 셋 중에서 학습 샘플을 통해 학습된 하이브리드 모델을 데이터 셋에서 검증 샘플을 통해 성능을 평가하였다. 성능 지표로는 모든 분석 결과 중에서 양성 및 음성 모두 올바르게 클래스 분류된 비율을 나타내는 정확도(Accuracy), 양성으로 분류한 것 중에서 양성으로 올바르게 클래스 분류된 비율을 나타내는 정밀도(Precision), 양성 및 음성 모두 올바르게 클래스 분류된 분석 결과 중에서 양상으로 올바르게 클래스 분류된 비율을 나타내는 재현율(Recall), 마지막으로 재현율과 정밀도의 조화평균을 나타내는 F1 score가 있다. Experimental parameters and experimental conditions are the same as in Example 1. In this embodiment, performance evaluation was performed for class classification, which is an analysis result output from the hybrid model of the present invention. That is, the performance of the hybrid model learned through the learning sample in the data set was evaluated through the validation sample in the data set. The performance indicators include Accuracy, which represents the proportion of correctly classified positives and negatives among all analysis results, Precision, which represents the proportion of correctly classified positives among those classified as positives, and Correctly classified both positives and negatives. Among the classified analysis results, there is recall, which indicates the proportion of correctly classified into aspects, and finally, F1 score, which indicates the harmonic average of recall and precision.

실험결과 2Experiment result 2

하기 [표 2]는 종래 LSTM과 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델을 각 성능 지표별로 비교한 표이다. 하기 [표 2]를 보면, 본원발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델은 모든 성능 지표에서 종래 LSTM 보다 높은 백분율을 확인할 수 있다. Table 2 below is a table comparing the conventional LSTM and the hybrid model according to an embodiment of the present invention for each performance index. Referring to [Table 2], it can be seen that the hybrid model according to an embodiment of the present invention has a higher percentage than the conventional LSTM in all performance indicators.

AccuracyAccuracy PrecisionPrecision RecallRecall F1F1 종래 LSTMConventional LSTM 90.57%90.57% 89.20%89.20% 88.74%88.74% 88.81%88.81% 하이브리드 모델hybrid model 92.3%92.3% 90.98%90.98% 92.20%92.20% 90.72%90.72%

따라서 본원발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델의 입력값인 QRS 영역은 심전도의 지역적 특징이 매우 뚜렷하고 본원발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델은 종래 LSTM과 달리 지역적 특징이 매우 뚜렷한 QRS 영역의 공간적 특징을 추출할 수 있으므로, 본원발명의 일실시예에 따른 하이브리드 모델은 모든 성능지표에 있어서 종래 LSTM 보다 높은 수치를 보이는 것이 입증되었다. Therefore, the QRS region, which is the input value of the hybrid model according to an embodiment of the present invention, has very distinct regional characteristics of the electrocardiogram, and the hybrid model according to one embodiment of the present invention has very distinct spatial characteristics of the QRS region, unlike the conventional LSTM. Since can be extracted, it has been proven that the hybrid model according to an embodiment of the present invention shows higher values than the conventional LSTM in all performance indicators.

실시예들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 하드웨어 기술 언어, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어 또는 마이크로코드로 구현되는 경우, 필요한 작업을 수행하는 프로그램 코드 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되고 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 수 있다.Embodiments may be implemented by hardware, software, firmware, middleware, microcode, hardware description language, or any combination thereof. When implemented in software, firmware, middleware or microcode, the program code or code segments that perform necessary tasks may be stored on a computer readable storage medium and executed by one or more processors.

그리고 본 명세서에 설명된 주제의 양태들은 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈 또는 컴포넌트와 같은 컴퓨터 실행 가능 명령어들의 일반적인 맥락에서 설명될 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈 또는 컴포넌트들은 특정 작업을 수행하거나 특정 데이터 형식을 구현하는 루틴, 프로그램, 객체, 데이터 구조를 포함한다. 본 명세서에 설명된 주제의 양태들은 통신 네트워크를 통해 링크되는 원격 처리 디바이스들에 의해 작업들이 수행되는 분산 컴퓨팅 환경들에서 실시될 수도 있다. 분산 컴퓨팅 환경에서, 프로그램 모듈들은 메모리 저장 디바이스들을 포함하는 로컬 및 원격 컴퓨터 저장 매체에 둘 다에 위치할 수 있다.And aspects of the subject matter described herein may be described in the general context of computer-executable instructions, such as a program module or component executed by a computer. Generally, program modules or components include routines, programs, objects, and data structures that perform particular tasks or implement particular data types. Aspects of the subject matter described herein may be practiced in distributed computing environments where tasks are performed by remote processing devices that are linked through a communications network. In a distributed computing environment, program modules may be located in both local and remote computer storage media including memory storage devices.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 으로 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the components of the system, structure, device, circuit, etc. described in are combined or combined in a different form than the described method, or in a different configuration. Appropriate results can be achieved even when substituted or substituted by elements or equivalents.

그러므로 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.

100.. 전처리부
200.. 추출부
300.. 판단부
310.. 학습부
100.. pre-processing unit
200.. extraction unit
300.. Judgment
310.. Department of Learning

Claims (5)

ECG 신호를 획득한 후 전처리하는 전처리부;
전처리된 상기 ECG 신호에서 다수 개의 QRS 영역을 추출하는 추출부; 및
합성곱 신경망(CNN)과 장기 기억 신경망(LSTM)이 직렬 병합된 하이브리드 모델을 이용하여 상기 다수 개의 QRS 영역을 분석한 후 부정맥 유무를 판단하는 판단부;를 포함하는 신경망을 이용한 부정맥 분류 시스템.
a pre-processing unit that pre-processes after obtaining the ECG signal;
an extraction unit extracting a plurality of QRS regions from the preprocessed ECG signal; and
An arrhythmia classification system using a neural network comprising: a determination unit that analyzes the plurality of QRS regions using a hybrid model in which a convolutional neural network (CNN) and a long-term memory neural network (LSTM) are serially merged and determines whether or not there is an arrhythmia.
제 1항에 있어서,
상기 QRS 영역은,
검출된 상기 R파를 포함하는 R영역, 상기 R영역 이전의 Q영역, 상기 R영역 이후의 S영역을 포함하고,
상기 판단부는,
3개의 QRS 영역을 하나의 그룹으로 결정하고, 상기 그룹 내 모든 QRS 영역이 모두 정상 심장 박동에 해당할 경우 정상이라고 판단하고, 상기 그룹 내 적어도 하나의 QRS 영역이 정상 심장 박동에 해당하지 않을 경우 부정맥이라고 판단하는 것을 특징으로 하는 신경망을 이용한 부정맥 분류 시스템.
According to claim 1,
The QRS area,
An R region including the detected R wave, a Q region before the R region, and an S region after the R region,
The judge,
3 QRS areas are determined as one group, and if all QRS areas in the group correspond to normal heartbeats, it is determined to be normal, and if at least one QRS area in the group does not correspond to normal heartbeats, arrhythmia is determined. Arrhythmia classification system using a neural network, characterized in that for determining that.
제 1항에 있어서,
상기 판단부는,
데이터 셋을 이용하여 상기 하이브리드 모델의 손실(Loss)값을 도출하고, 최적화 함수인 Adam 함수를 이용하여 상기 손실(Loss)값에 따른 상기 하이브리드 모델 내 가중치를 갱신하는 학습부;를 포함하고,
상기 가중치는,
상기 합성곱 신경망(CNN) 내 다수 개의 뉴런이 입력값을 처리하기 위한 각각의 가중치, 상기 장기 기억 신경망(LSTM) 내 망각(Forget) 게이트의 가중치(Wf), 입력(Input) 게이트의 가중치(Wi) 및 출력(Output) 게이트의 가중치(Wo)를 포함하는 것을 특징으로 하는 신경망을 이용한 부정맥 분류 시스템.
According to claim 1,
The judge,
A learning unit for deriving a loss value of the hybrid model using a data set and updating a weight in the hybrid model according to the loss value using an Adam function, which is an optimization function;
The weight is
Each weight for the plurality of neurons in the convolutional neural network (CNN) to process input values, the weight (W f ) of the forget gate in the long-term memory neural network (LSTM), the weight of the input gate ( An arrhythmia classification system using a neural network, characterized in that it includes W i ) and a weight (W o ) of an output gate.
제 1항에 있어서,
상기 하이브리드 모델은,
n개의 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층을 포함하고,
상기 n개의 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층은 각각 ReLU 활성화 함수와 배치 정규화(Batch Normalization)가 가능한 정규화 계층을 포함하고,
상기 n개의 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층 중에서 1 번째 내지 n-1 번째의 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층은 최대 풀링(Max Pooling)이 가능한 풀링 층을 포함하고, n번째의 상기 1차원 합성곱(1D Convolution) 계층은 상기 장기 기억 신경망(LSTM)에 충분한 정보를 제공할 수 있도록 상기 풀링 층을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 신경망을 이용한 부정맥 분류 시스템.
여기서, n은 양의 정수이다.
According to claim 1,
The hybrid model,
Including n 1D convolution layers,
Each of the n 1D convolution layers includes a ReLU activation function and a normalization layer capable of batch normalization,
Among the n 1D Convolution layers, the 1st to n−1th 1D Convolution layers include pooling layers capable of max pooling, and Arrhythmia classification system using a neural network, characterized in that the 1D convolution layer does not include the pooling layer to provide sufficient information to the long-term memory neural network (LSTM).
Here, n is a positive integer.
전저리부에 의하여, ECG 신호를 획득한 후 전처리하는 전처리단계;
추출부에 의하여, 전처리된 상기 ECG 신호에서 다수 개의 QRS 영역을 추출하는 추출단계; 및
판단부에 의하여, 합성곱 신경망(CNN)과 장기 기억 신경망(LSTM)이 직렬 병합된 하이브리드 모델을 이용하여 상기 다수 개의 QRS 영역을 분석한 후 부정맥 유무를 판단하는 판단단계;를 포함하는 신경망을 이용한 부정맥 분류 방법.
a pre-processing step of acquiring and then pre-processing the ECG signal by the pre-treatment unit;
an extraction step of extracting a plurality of QRS regions from the preprocessed ECG signal by an extraction unit; and
Using a neural network comprising: a determination step of analyzing the plurality of QRS regions by a determination unit using a hybrid model in which a convolutional neural network (CNN) and a long-term memory neural network (LSTM) are serially merged and then determining whether or not there is an arrhythmia; Arrhythmia classification method.
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