KR20230085526A - Apparatus and method for classifying breathing state during sleep using biosignals - Google Patents

Apparatus and method for classifying breathing state during sleep using biosignals Download PDF

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Abstract

본 발명은 생체신호를 이용한 수면 호흡 상태 분류 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자의 수면 중 ECG 신호를 측정하는 생체신호 측정부, 상기 ECG 신호를 전처리하는 전처리부, 상기 전처리된 상기 ECG 신호의 특징을 추출하는 특징추출부 및 상기 특징을 이용하여 상기 사용자의 호흡상태를 진단하는 진단부를 포함하며, 상기 특징추출부 및 상기 진단부는 딥러닝으로 구성되어 ECG 신호만으로 OSA를 진단할 수 있다.The present invention relates to an apparatus and method for classifying sleep breathing conditions using bio-signals, and more particularly, to a bio-signal measuring unit for measuring an ECG signal during sleep of a user, a pre-processing unit for pre-processing the ECG signal, and the pre-processed ECG It includes a feature extraction unit that extracts characteristics of the signal and a diagnosis unit that diagnoses the user's breathing state using the feature, and the feature extraction unit and the diagnosis unit are composed of deep learning and can diagnose OSA only with ECG signals. .

Description

생체신호를 이용한 수면 호흡 상태 분류 장치 및 방법{Apparatus and method for classifying breathing state during sleep using biosignals}Apparatus and method for classifying breathing state during sleep using biosignals}

본 발명은 생체신호를 이용한 수면 호흡 상태 분류 장치 및 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 사용자의 수면시간에 ECG 신호를 측정하여 사용자의 수면무호흡증의 중증도를 측정하여 사용자에게 제공하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for classifying sleep breathing conditions using biosignals, and more specifically, to an apparatus and method for measuring the severity of sleep apnea of a user by measuring an ECG signal during the user's sleeping time and providing the result to the user. .

폐쇄성 수면 무호흡증(Obstructive sleep apnea, OSA)은 산업화 및 사회의 발전이 진행됨에 따라 수면 연장으로 인한 노화 및 비만 인구의 증가로 남녀의 구분 없이 겪고 있는 흔한 수면 장애 중 하나이며, 고혈압과 심부전, 뇌졸중, 관상 동맥 질환, 부정맥, 폐고혈압과 같은 심혈관계와 관련된 합병증을 유발한다. 또한, 수면 부족으로 인하여 주간에 졸음을 유발하여 졸음운전과 생산력 저하 등 사회적 문제로도 초래되고 있다. Obstructive sleep apnea (OSA) is one of the common sleep disorders suffered by both men and women due to the increase in aging and obesity due to prolonged sleep as industrialization and social development progresses. It causes complications related to the cardiovascular system such as coronary artery disease, arrhythmia, and pulmonary hypertension. In addition, lack of sleep causes drowsiness during the daytime, resulting in social problems such as drowsy driving and reduced productivity.

일반적으로 폐쇄성 수면 무호흡증은 전반적인 수면의 상태와 수면 질환 여부를 알 수 있는 수면다원검사를 통하여 진단된다. 수면다원검사는 여러 가지 센서를 사용자의 신체에 부착한 상태로 검사실에서 진행되며, 전문 인력이 평균 7~8시간의 수면 시간을 관찰하기 때문에 장소와 금전적인 제약이 존재한다. 그러한 제약들로 모든 잠재적 폐쇄성 수면 무호흡증 환자에 대한 수면다원검사가 어렵다.In general, obstructive sleep apnea is diagnosed through polysomnography, which can determine the overall state of sleep and sleep disorders. Polysomnography is performed in an examination room with various sensors attached to the user's body, and because experts observe an average of 7 to 8 hours of sleep, there are restrictions on location and money. Such limitations make polysomnography difficult for all potentially obstructive sleep apnea patients.

또한, 폐쇄성 수면 무호흡증 검사를 위해서는 수면시간을 측정하고 무호흡 사건을 탐지하는 것이 필수적이며, 실제 수면 시간을 정확하게 측정하지 않으면 수면 중 무호흡으로 인하여 깨어 있는 시간이 실제 수면 시간에 포함되어 실제 수면시간에 대비하여 긴 시간을 수면 시간으로 오판할 수 있어 무호흡-저호흡 지수(Apnea-Hypopnea Index, AHI)가 실제보다 작게 계산될 수 있는 문제를 포함하고 있다.In addition, for obstructive sleep apnea testing, it is essential to measure sleep time and detect apnea events. Therefore, a long time can be misjudged as sleep time, and the Apnea-Hypopnea Index (AHI) can be calculated smaller than it actually is.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래에 여러 가지 기술이 제시되었으나, 복수의 센서로 다양한 생체신호의 측정을 실시하여야 하며, 사용자에게 맞춤형 평가 방법이 아닌 다수의 사용자에게 적합할 수 있도록 평균 데이터를 기반으로 동작을 수행하는 방법을 제시하고 있어 이러한 방법들 또한 무호흡-저호흡 지수를 정확하게 제공하지 못하는 문제가 여전히 있다.In order to solve the above problem, various technologies have been proposed in the past, but it is necessary to measure various bio-signals with a plurality of sensors, and based on average data to be suitable for a large number of users rather than a customized evaluation method for the user. However, there is still a problem in that these methods do not accurately provide the apnea-hypopnea index.

대한민국 공개특허공보 제10-2020-0139049호 (2020년12월11일 공개)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2020-0139049 (published on December 11, 2020)

본 발명은 상기 기술적 과제에 대한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 심전도(electrocardiogram, ECG)의 단일 신호만을 이용하여 사용자에게 무호흡-저호흡 지수를 측정하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problem of the above technical problem, and an object of the present invention is to provide a method for measuring the apnea-hypopnea index to the user using only a single signal of an electrocardiogram (ECG).

다른 측면에서 본 발명은 딥러닝을 이용하여 사용자 별 맞춤형 폐쇄성 수면무호흡증 평가 모델을 제공함으로써 정확한 무호흡-저호흡 지수를 측정하며, 무호흡-저호흡 지수를 기반으로 폐쇄성 무호흡증 중증도를 추정하여 제공하는데 그 목적이 있다.In another aspect, the present invention measures an accurate apnea-hypopnea index by providing a customized obstructive sleep apnea evaluation model for each user using deep learning, and estimates and provides the severity of obstructive apnea based on the apnea-hypopnea index. there is

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 장치는 사용자의 수면 중 ECG 신호를 측정하는 생체신호 측정부, 상기 ECG 신호를 전처리하는 전처리부, 상기 전처리된 상기 ECG 신호의 특징을 추출하는 특징추출부 및 상기 특징을 이용하여 상기 사용자의 호흡상태를 진단하는 진단부를 포함하며, 상기 특징추출부 및 상기 진단부는 딥러닝으로 구성될 수 있다.An apparatus for classifying sleep breathing conditions according to an embodiment of the present invention for solving the above technical problem is a bio-signal measuring unit for measuring an ECG signal during sleep of a user, a pre-processing unit for pre-processing the ECG signal, and the pre-processed ECG signal. It includes a feature extraction unit for extracting features of and a diagnosis unit for diagnosing the user's respiratory state using the features, and the feature extraction unit and the diagnosis unit may be configured with deep learning.

또한, 상기 전처리부는 상기 ECG 신호를 이산 슬라이딩 윈도우(discrete sliding window) 방식을 이용하여 기설정된 단위로 세분화하는 세분화부, 상기 세분화부에서 세분화된 상기 ECG 신호의 각 영역을 라벨링하는 라벨링부 및 상기 라벨링된 라벨을 필터링하는 필터링부를 포함하며, 상기 라벨링부는 상기 세분화부에서 세분화된 각 영역 중 상기 진단부가 진단하고자 하는 영역의 전후 영역을 하나의 그룹으로 묶어 라벨링을 수행할 수 있다.In addition, the pre-processing unit includes a segmentation unit that subdivides the ECG signal into predetermined units using a discrete sliding window method, a labeling unit that labels each region of the ECG signal segmented in the segmentation unit, and the labeling unit. and a filtering unit for filtering the classified labels, and the labeling unit may perform labeling by grouping regions before and after the region to be diagnosed by the diagnosis unit among the regions subdivided by the subdivision unit.

또한, 상기 진단부의 신뢰도에 따라 상기 세분화부의 세분화 단위를 상기 기설정된 단위보다 더 작은 단위로 다시 설정하여 상기 호흡상태를 재진단할 수 있다.In addition, the respiration state may be re-diagnosed by resetting a subdivision unit of the subdivision unit to a unit smaller than the preset unit according to the reliability of the diagnosis unit.

또한, 상기 특징추출부는 상기 ECG 신호에서 R파의 피크를 탐지하는 피크탐지부, 상기 R파의 피크를 기반으로 특징을 생성하는 특징생성부 및 상기 특징을 리사이징하는 리사이징부를 포함할 수 있다.The feature extraction unit may include a peak detector for detecting a peak of the R wave in the ECG signal, a feature generator for generating a feature based on the peak of the R wave, and a resizing unit for resizing the feature.

또한, 상기 특징은 심전도에서 R파에서 다음의 R파까지의 간격(RRI), ECG 유도 호흡(ECG-Derived Respiration, EDR) 및 심전도의 진폭(Amplitude of ECG, AMP)이며, 상기 리사이징부는 보간법을 이용하여 상기 RRI는 오버샘플링을 수행하고, 상기 EDR은 다운샘플링을 수행할 수 있다.In addition, the characteristics are the interval from the R wave to the next R wave in the ECG (RRI), ECG-Derived Respiration (EDR), and the amplitude of the ECG (Amplitude of ECG, AMP), and the resizing unit interpolates The RRI may perform oversampling and the EDR may perform downsampling.

또한, 상기 진단부는 상기 특징을 이용하여 폐쇄성 수면무호흡(OSA)을 검출하는 OSA 검출부, 상기 특징을 이용하여 순수한 수면 시간을 추정하는 수면시간 추정부, 상기 OSA 및 상기 수면 시간을 이용하여 무호흡-저호흡 지수(AHI)를 계산하는 AHI 계산부 및 상기 AHI를 기반으로 수면무호흡 중증도를 추정하는 호흡상태 추정부를 포함할 수 있다.In addition, the diagnosis unit includes an OSA detection unit for detecting obstructive sleep apnea (OSA) using the feature, a sleep time estimation unit for estimating pure sleep time using the feature, and an apnea-lowering using the OSA and the sleep time. It may include an AHI calculation unit that calculates a respiratory index (AHI) and a respiratory state estimation unit that estimates the severity of sleep apnea based on the AHI.

또한, 상기 딥러닝은 LSTM(Long Short-Term Memory) 및 컨볼루션 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)의 결합으로 구성되며, 상기 OSA 및 AHI는 소프트맥스를 이용하여 각 호흡의 확률을 계산할 수 있다.In addition, the deep learning is composed of a combination of Long Short-Term Memory (LSTM) and Convolutional Neural Network (CNN), and the OSA and AHI can calculate the probability of each breath using softmax.

또한, 상기 진단부의 측정 결과 및 상기 ECG 신호를 이용하여 상기 컨볼루션 신경망의 학습을 수행할 수 있다.In addition, the convolutional neural network may be learned using the measurement result of the diagnosis unit and the ECG signal.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 방법은 수면 상태의 ECG 신호를 측정하는 단계, 상기 ECG 신호를 기설정된 단위로 분할하는 단계, 분할된 상기 ECG 신호의 특징을 추출하는 단계 및 상기 특징을 이용하여 호흡 상태를 진단하는 단계를 포함하며, 상기 특징을 추출하는 단계 및 상기 호흡 상태를 진단하는 단계는 딥러닝으로 구성되는 분류 모델을 이용할 수 있다.A sleep breathing state classification method according to another embodiment of the present invention for solving the above technical problem includes measuring an ECG signal in a sleep state, dividing the ECG signal into predetermined units, and dividing the ECG signal Extracting a feature of and diagnosing a respiratory state using the feature, and extracting the feature and diagnosing the respiratory state may use a classification model composed of deep learning.

또한, 상기 기설정된 단위로 분할하는 단계는 상기 ECG 신호를 이산 슬라이딩 윈도우(discrete sliding window) 방식을 이용하여 기설정된 단위로 세분화하는 단계, 상기 세분화된 각 구역을 라벨링하는 단계, 상기 라벨링된 벨 중 측정하고자 하는 라벨의 전후 라벨을 묶어 하나의 그룹으로 설정하는 단계 및 상기 그룹을 필터링하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the dividing into predetermined units may include dividing the ECG signal into predetermined units using a discrete sliding window method, labeling each of the divided regions, and among the labeled bells. It may include grouping labels before and after the label to be measured and setting them as one group, and filtering the group.

또한, 상기 호흡 상태의 신뢰도에 따라 상기 세분화하는 단위를 기설정된 단위보다 더 작은 단위로 다시 세분화하여 상기 호흡상태를 재진단할 수 있다.In addition, the respiratory state may be re-diagnosed by further subdividing the subdivided unit into smaller units than a predetermined unit according to the reliability of the respiratory state.

또한, 상기 특징을 추출하는 단계는 분할된 상기 ECG 신호에서 R파의 피크를 탐지하는 단계, 상기 R파의 피크를 기반으로 특징을 추출하는 단계 및 상기 특징을 리사이징하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the step of extracting the feature may include detecting a peak of the R wave in the divided ECG signal, extracting a feature based on the peak of the R wave, and resizing the feature.

또한, 상기 특징은 심전도에서 R파에서 다음의 R파까지의 간격(RRI), ECG 유도 호흡(ECG-Derived Respiration, EDR) 및 심전도의 진폭(amplitude of ECG, AMP)이며, 상기 리사이징하는 단계는 보간법을 이용하여 상기 RRI는 오버샘플링을 수행하고, 상기 EDR은 다운샘플링을 수행할 수 있다.In addition, the characteristics are the interval from R wave to next R wave in the electrocardiogram (RRI), ECG-Derived Respiration (EDR), and amplitude of ECG (amplitude of ECG, AMP), the resizing step Using an interpolation method, the RRI may perform oversampling and the EDR may perform downsampling.

또한, 호흡 상태를 진단하는 단계는 상기 특징을 이용하여 폐쇄성 수면무호흡(OSA) 및 순수한 수면 시간을 검출하는 단계, 상기 OSA 및 상기 수면 시간을 기반으로 무호흡-저호흡 지수(AHI)를 계산하는 단계 및 상기 수면무호흡 중증도를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, diagnosing the respiratory state includes detecting obstructive sleep apnea (OSA) and pure sleep time using the characteristics, calculating an apnea-hypopnea index (AHI) based on the OSA and the sleep time. and estimating the severity of sleep apnea.

또한, 상기 딥러닝은 LSTM(Long Short-Term Memory) 및 컨볼루션 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)의 결합으로 구성되며, 상기 OSA 및 AHI는 소프트맥스를 이용하여 각 호흡의 확률을 계산할 수 있다.In addition, the deep learning is composed of a combination of Long Short-Term Memory (LSTM) and Convolutional Neural Network (CNN), and the OSA and AHI can calculate the probability of each breath using softmax.

또한, 상기 호흡 상태를 진단하는 단계는 측정 결과 및 상기 ECG 신호를 이용하여 상기 컨볼루션 신경망의 학습을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, diagnosing the respiratory state may further include performing learning of the convolutional neural network using a measurement result and the ECG signal.

상기한 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 장치 및 방법에 따르면 ECG 단일 신호만을 이용하여 폐쇄성 무호흡증을 진단할 수 있어 장치의 크기를 대폭 감소시킬 수 있다.According to the apparatus and method for classifying sleep breathing conditions according to an embodiment of the present invention described above, obstructive apnea can be diagnosed using only a single ECG signal, and the size of the apparatus can be greatly reduced.

또한, 딥러닝을 이용하여 폐쇄성 무호흡증을 진단함으로써 사용자 별 맞춤형 폐쇄성 무호흡증 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.In addition, by diagnosing obstructive apnea using deep learning, it is possible to provide a device and method for measuring obstructive apnea customized for each user.

또한, 폐쇄성 무호흡증 발생 시간과 실제 수면 시간을 분리하여 폐쇄성 무호흡-저호흡 지수를 계산함으로써 더욱 정확한 폐쇄성 무호흡증 중증도를 계산할 수 있다.In addition, the severity of obstructive apnea can be more accurately calculated by calculating the obstructive apnea-hypopnea index by separating the time of occurrence of obstructive apnea and actual sleep time.

또한, 폐쇄성 무호흡증의 측정 단위 시간을 변경함으로써 더욱 정확한 수면 시간을 계산할 수 있다.In addition, a more accurate sleep time can be calculated by changing the measurement unit time of obstructive apnea.

도 1은 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 장치의 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 장치에서 ECG 신호를 분할하는 방법에 대한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 장치에서 이용되는 딥러닝의 구조에 대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 방법의 전처리 수행단계를 구체화하는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 방법의 특징 추출 단계를 구체화하는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 방법의 호흡 상태진단 방법을 구체화하는 단계를 구체화하는 순서도이다.
1 is a block diagram of an apparatus for classifying a sleep breathing state according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a method of dividing an ECG signal in a sleep breathing state classification apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram of a structure of deep learning used in a sleep breathing state classification apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart of a sleep breathing state classification method according to an embodiment of the present invention.
5 is a flow chart specifying the preprocessing step of the sleep breathing state classification method according to an embodiment of the present invention.
6 is a flow chart specifying a feature extraction step of a sleep breathing state classification method according to an embodiment of the present invention.
7 is a flow chart specifying steps for specifying a method for diagnosing a breathing state of a sleep breathing state classification method according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

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 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, 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 the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail. In order to facilitate overall understanding in the description of the present invention, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and redundant descriptions of the same components are omitted.

도 1은 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 장치의 블록 다이어그램이다.1 is a block diagram of an apparatus for classifying a sleep breathing state according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 장치는 생체신호 측정부(100), 전처리부(200), 특징추출부(300) 및 진단부(400)을 포함할 수 있다.An apparatus for classifying sleep breathing conditions according to an embodiment of the present invention may include a bio-signal measuring unit 100, a pre-processing unit 200, a feature extraction unit 300, and a diagnosis unit 400.

생체신호 측정부(100)는 사용자의 신체 중 어느 한 부위에 직접 접촉하여 비침습적 방식으로 사용자의 생체 신호를 측정할 수 있으며, 특히 ECG(electrocardiogram, ECG) 신호를 측정하는 센서일 수 있다.The bio-signal measurer 100 may directly contact any part of the user's body to measure the user's bio-signal in a non-invasive manner, and in particular, may be a sensor that measures an electrocardiogram (ECG) signal.

ECG 신호는 일반적으로 전극을 이용하여 손목, 가슴, 발목 등 ECG를 측정할 수 있는 신체 부위라면 제한 없이 센서를 부착하여 획득할 수 있으며, 최근 다양한 스타트업 및 대기업에서 출시되고 있는 스마트워치 등의 웨어러블 전자장치를 이용하여 수면 중에도 어렵지 않게 ECG 신호를 획득할 수 있다.In general, ECG signals can be obtained by attaching a sensor to any part of the body that can measure ECG using electrodes, such as wrists, chests, and ankles, without limitation. An ECG signal can be acquired without difficulty even during sleep by using an electronic device.

본 발명의 일 실시예에서는 ECG 신호만을 이용하여 수면 중의 폐쇄성 무호흡증(Obstructive sleep apnea, OSA)을 추정하는 방법에 대하여 개시하고 있으나, 이에 한정하지 않고 필요한 경우에 종래의 기술과 같이 맥파(PPG), 산소포화도(SpO2), 가속도 센서를 이용한 사용자의 움직임 정보, 심박변이도(heart rate variability, HRV) 등의 다양한 정보를 더하여 정확성을 높일 수 있으며, 이러한 정확도 향상을 위해 추가적인 센서를 통한 측정을 실시할 수 있음은 당연하다.An embodiment of the present invention discloses a method for estimating obstructive sleep apnea (OSA) using only an ECG signal, but is not limited thereto, and if necessary, a pulse wave (PPG), Accuracy can be increased by adding various information such as oxygen saturation (SpO 2 ), user movement information using an acceleration sensor, and heart rate variability (HRV). It is natural that you can

전처리부(200)는 ECG 신호를 이용하여 OSA를 추정하기 위하여 데이터 전처리를 수행하며, 세분화부(210), 라벨링부(220), 필터링부(230)을 포함하여 구성될 수 있다.The pre-processing unit 200 performs data pre-processing to estimate the OSA using the ECG signal, and may include a segmentation unit 210, a labeling unit 220, and a filtering unit 230.

세분화부(210)는 생체신호 측정부(100)에서 측정한 ECG 신호를 이산 슬라이딩 윈도우(Discrete sliding window) 방식을 사용하여 기 설정된 단위로 분할(segmentation)할 수 있다.The segmentation unit 210 may segment the ECG signal measured by the bio-signal measuring unit 100 into predetermined units using a discrete sliding window method.

본 발명의 일 실시예에서 세분화부(210)는 기본적으로 1분 단위로 배치(batch)를 생성할 수 있으나, 필요에 따라 10초, 30초, 5분 등 다양한 크기 단위로 배치를 생성할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the segmentation unit 210 may generate a batch by default in 1 minute units, but may generate batches in various size units such as 10 seconds, 30 seconds, and 5 minutes as needed. there is.

예를 들어, 사용자가 이전의 측정 결과에서 OSA가 높게 측정되었거나 측정된 OSA의 신뢰도가 낮다고 평가되는 경우에 배치 단위를 1분에서 30초 또는 10초 등으로 조절될 수 있으며, 반대의 경우로 OSA가 낮게 측정되었거나, 신뢰도가 상당히 높은 사용자의 경우에는 배치 단위를 1분에서 5분 10분 등으로 증가할 수 있다.For example, if the user evaluates that the OSA is high in the previous measurement results or the reliability of the measured OSA is low, the batch unit may be adjusted from 1 minute to 30 seconds or 10 seconds, and vice versa. In the case of low measured or highly reliable users, the batch unit can be increased from 1 minute to 5 minutes and 10 minutes.

또한, 측정 신뢰도를 향상시키기 위하여 ECG 신호의 분석 결과 OSA가 검출된 배치에 대하여 30초, 10초 등으로 다시 분할하여 재측정을 실시하는 방법을 통해 정확한 OSA 기간, 지속 시간 및 측정 정확도를 향상시킬 수 있다.In addition, in order to improve measurement reliability, the accurate OSA duration, duration, and measurement accuracy can be improved by re-measuring the batch in which OSA is detected as a result of ECG signal analysis by dividing it into 30 seconds, 10 seconds, etc. can

즉, 본 발명의 대표 실시예에서는 세분화부(210)에서 1분 단위로 세분화하여 배치를 생성하는 방법을 개시하고 있으나, 이에 한정하지 않고 사용자 별 측정 상황, 이전 측정 데이터, 측정된 ECG신호의 신뢰도 등 다양한 상황에 따라 동적으로 배치의 생성단위를 변경할 수 있다.That is, the representative embodiment of the present invention discloses a method of generating a batch by subdividing the segmentation unit 210 by 1 minute, but is not limited thereto, and the reliability of the measured situation, previous measurement data, and measured ECG signal for each user. It is possible to dynamically change the generation unit of a batch according to various situations.

라벨링부(220)는 세분화부(210)에서 생성한 배치를 진단부(400)에 인가하기 위한 에포크(epoch)로 라벨링을 수행할 수 있다.The labeling unit 220 may perform labeling as an epoch for applying the arrangement generated by the segmentation unit 210 to the diagnosis unit 400 .

세분화부(210)에서 생성한 배치를 직접 진단부에(400) 인가하여 OSA를 검출하게 되면 비연속적 신호가 인가되기 때문에 OSA 검출의 정확도가 감소될 수 있는 문제가 있다.When OSA is detected by directly applying the arrangement generated by the subdivision unit 210 to the diagnosis unit 400, there is a problem in that the accuracy of OSA detection may be reduced because a non-continuous signal is applied.

도 2는 라벨링부(210)의 동작 방법에 대한 예시로서, 도 2를 참조하여 라벨링부(210)의 동작에 대해 예시하도록 한다.FIG. 2 is an example of an operation method of the labeling unit 210. Referring to FIG. 2, the operation of the labeling unit 210 will be illustrated.

OSA 검출은 연속적인 시계열성으로 측정을 수행하여야 보다 정확한 측정이 가능하며, 이를 위하여 세분화부(210)는 OSA 측정을 실시한 배치의 전후 배치를 함께 묶어 라벨링을 수행하는 방법을 활용할 수 있다.For OSA detection, more accurate measurement is possible only when the measurement is performed in a continuous time series. To this end, the subdivision unit 210 may utilize a method of performing labeling by tying together batches before and after OSA measurement.

본 발명의 일 실시예에서는 시계열적인 ECG 신호의 연속성을 확보하기 위하여 선택된 신호에 대해 기본적으로 앞뒤에 이어지는 신호를 고려하여야 하며, 이를 위하여 본 발명의 일 실시예에서는 세분화부(210)에서 신호를 1분 단위로 분할된 ECG 신호에 대해 OSA 측정을 위해 선택된 배치의 앞 2분, 뒤 2분의 총 5분의 시간을 하나의 라벨로 설정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, in order to secure the continuity of a time-series ECG signal, it is necessary to basically consider the signals that follow the selected signal, and for this purpose, in one embodiment of the present invention, the signal For the ECG signal divided into minutes, a total of 5 minutes of time, 2 minutes before and 2 minutes after the batch selected for OSA measurement, can be set as one label.

예를 들어, 10분간 측정된 ECG 신호에 대해 1분씩 10개의 배치를 생성하고 가장 앞의 배치부터 순차적으로 1 내지 10의 번호를 할당할 수 있다. 이후 3번 신호를 측정한다고 예시하면 3번 신호의 앞의 2개인 1, 2번과 뒤의 2개인 4, 5번을 하나의 그룹으로 하여 1 내지 5번의 5분 단위의 ECG 신호를 하나의 라벨로 설정할 수 있다.For example, for ECG signals measured for 10 minutes, 10 batches of 1 minute each may be created and numbers 1 to 10 may be sequentially assigned from the first batch. For example, if signal No. 3 is measured thereafter, the first two signals 1 and 2, and the two after No. 3, Nos. 4 and 5, are grouped as one group, and ECG signals in 5-minute units from No. 1 to No. 5 are labeled as one label. can be set to

마찬가지로 4번 신호를 측정하는 경우 앞의 2, 3번 신호 및 뒤의 5, 6번 신호를 하나의 그룹으로 묶어 2, 3, 4, 5, 6번의 패치를 하나의 에포크로 라벨링할 수 있다.Similarly, when signal 4 is measured, signals 2 and 3 in front and signals 5 and 6 in the back can be grouped together and patches 2, 3, 4, 5, and 6 can be labeled as one epoch.

필터링부(230)는 라벨링부(220)에서 라벨링된 라벨 단위로 필터링을 수행할 수 있다.The filtering unit 230 may perform filtering in units of labels labeled in the labeling unit 220 .

본 발명의 일 실시예에서 필터링부(230)는 로우 패스 필터(low pass filter)의일종인 FIR 필터(Finite Impulse Response Filter)를 이용하여 동작을 수행하고 있으나, 이에 한정되지 않고 버터워스 필터(Butterworth filter), 파워라인 필터(Powerline filter) 등의 필터를 이용할 수도 있다.In one embodiment of the present invention, the filtering unit 230 performs an operation using a Finite Impulse Response Filter (FIR) filter, which is a type of low pass filter, but is not limited thereto, and a Butterworth filter ), a filter such as a powerline filter may be used.

본 발명의 일 실시예에서 필터링부(230)는 피지오넷(PhysioNet)에서 제공되는 데이터를 활용하여 필터링을 수행할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the filtering unit 230 may perform filtering using data provided from PhysioNet.

특징추출부(300)는 전처리부(200)에서 전처리된 ECG 신호 데이터에서 특징을 추출할 수 있으며, 피크탐지부(310), 특징생성부(320) 및 리사이징부(330)로 구성될 수 있다.The feature extraction unit 300 may extract features from the ECG signal data preprocessed by the preprocessor 200, and may include a peak detection unit 310, a feature generator 320, and a resizing unit 330. .

피크탐지부(310)는 필터링부(230)에서 필터링된 라벨 내의 ECG 신호에 대하여 R파의 피크(peak)를 탐지할 수 있다.The peak detection unit 310 may detect the peak of the R wave with respect to the ECG signal within the label filtered by the filtering unit 230.

심장의 전기적 활성 단계는 크게 심방 탈분극, 심실탈분극, 심실재분극 시기로 나눌 수 있으며 이러한 각 단계는 P파, QRS파, T파라고 불리는 몇 개의 파의 형태로 반영될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 P파, QRS파, T파의 형태 중 R파를 검출하여 이용한다.The electrical activity phase of the heart can be largely divided into atrial depolarization, ventricular depolarization, and ventricular repolarization phases, and each of these phases can be reflected in the form of several waves called P waves, QRS waves, and T waves. In the example, the R wave among the types of P wave, QRS wave, and T wave is detected and used.

본 발명의 일 실시예에서 피크탐지부(310)는 Neurokit를 이용하여 R파를 감지하고 있으나, 이에 한정되지 않고 R파를 검출할 수 있다면 이용에 한정되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the peak detection unit 310 detects the R wave using Neurokit, but is not limited thereto and is not limited to use as long as it can detect the R wave.

특징생성부(320)는 ECG 신호의 특징을 추출할 수 있다. The feature generator 320 may extract features of the ECG signal.

특징생성부(320)는 라벨링부(220)에서 라벨링된 5개의 배치 단위로 특징 추출을 실시하며, 본 발명의 대표 실시예에서와 같이 5개의 배치인 5분 단위로 특징을 추출할 수 있다.The feature generation unit 320 performs feature extraction in units of five batches labeled in the labeling unit 220, and may extract features in units of five batches, which is 5 minutes, as in the representative embodiment of the present invention.

특징생성부(320)는 피크탐지부(310)에서 추출한 R파 사이의 간격인 RRI, 심전도 유도 호흡(ECG-Derived Respiration, EDR) 및 심전도의 진폭(Amplitude of ECG, AMP)의 3개의 특징을 추출할 수 있다.The feature generation unit 320 has three features of RRI, which is the interval between R waves extracted by the peak detection unit 310, ECG-Derived Respiration (EDR), and Amplitude of ECG (AMP) can be extracted.

상기에서와 같이 본원발명은 ECG 신호에서 추출할 수 있는 RRI, EDR 및 AMP의 3가지 특징 신호만으로 OSA를 검출할 수 있으며, 필요에 따라 선택적으로 측정된 추가 신호의 특징을 함께 이용할 수 있음은 물론이다.As described above, the present invention can detect OSA only with three characteristic signals of RRI, EDR, and AMP that can be extracted from an ECG signal, and can also use the characteristics of additional signals selectively measured as needed. am.

하나의 배치는 복수의 샘플로 구성되어 있으며, 복수의 샘플은 상기 3가지 특징(RRI, EDR, AMP)의 샘플들로 구성될 수 있다. 이러한 샘플들을 이용하여 보다 정확한 OSA 검출을 실시하기 위하여 리사이징을 실시할 수 있다.One batch consists of a plurality of samples, and the plurality of samples may consist of samples of the three characteristics (RRI, EDR, AMP). Resizing may be performed using these samples to perform more accurate OSA detection.

리사이징부(330)는 진단부(400)에서 보다 정확한 진단을 수행할 수 있도록 특징생성부(330)에서 추출한 특징의 크기를 변경할 수 있다.The resizing unit 330 may change the size of the feature extracted from the feature generator 330 so that the diagnosis unit 400 can perform a more accurate diagnosis.

본 발명의 일 실시예에서 리사이징부(330)는 보간법을 이용하여 특징생성부(320)에서 생성한 특징을 리사이징할 수 있으며, RRI에 대하여 보간법을 기반으로 오버샘플링을 실시하고, EDR에 대하여 보간법을 기반으로 다운샘플링을 실시할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the resizing unit 330 may resize the features generated by the feature generator 320 using an interpolation method, perform oversampling based on the interpolation method for RRI, and interpolation method for EDR. Downsampling can be performed based on .

리사이징부(330)는 본 발명의 수면 호흡 상태 분류 장치의 필수 요소에 해당하지는 않으나, OSA의 보다 정확한 검출을 위하여 실시하는 것으로 검출 성능을 향상시킬 수 있다면 방법에 제한을 두지 않고 특징의 리사이징을 실시할 수 있다.The resizing unit 330 is not an essential element of the sleep breathing state classification device of the present invention, but is implemented for more accurate detection of OSA, and if the detection performance can be improved, the method is not limited and the feature is resized. can do.

진단부(400)는 특징추출부(300)에서 추출한 특징을 기반으로 OSA 및 무호흡-저호흡 지수(Apnea-Hypopnea Index, AHI)를 계산하며, AHI를 기반으로 OSA 중증도를 계산할 수 있다.The diagnosis unit 400 may calculate OSA and Apnea-Hypopnea Index (AHI) based on the features extracted by the feature extraction unit 300, and may calculate OSA severity based on the AHI.

진단부(400)는 OSA검출부 (410), 수면시간 추정부(420), AHI 계산부(430) 및 호흡상태 추정부(440)로 구성될 수 있다.The diagnosis unit 400 may include an OSA detection unit 410, a sleep time estimation unit 420, an AHI calculation unit 430, and a breathing state estimation unit 440.

OSA 검출부(410)는 특징추출부(300)에서 추출된 특징을 기반으로 OSA 검출을 수행할 수 있다.The OSA detection unit 410 may perform OSA detection based on the features extracted by the feature extraction unit 300 .

도 2를 다시 참조하면, 1 내지 10의 배치 중 3, 6, 8번 배치가 정상 호흡이 아닌 무호흡증 상태를 예시하고 있다. 이때 3번 배치에 대해 검사를 수행하는 경우 상기 라벨링부(220)에서 설명한 바와 같이 앞뒤 2개씩의 배치를 더하여 총 5개의 배치(1 내지 5번 배치)를 기반으로 특징추출부(300)에서 특징을 추출하고, 추출된 특징이 OSA 검출부(410)에 인가되면 OSA 검출부(410)는 정상 호흡 상태일 경우에는 정상, 무호흡증이 검출될 경우에는 비정상으로 결과를 출력하며, 3번 배치가 중심인 라벨에 대하여 비정상, 즉 OSA 상태로 결과를 출력할 수 있다.Referring back to FIG. 2 , among batches 1 to 10, batches 3, 6, and 8 illustrate an apnea state, not normal breathing. At this time, when the inspection is performed on batch No. 3, as described in the labeling unit 220, the feature extraction unit 300 adds the features in the feature extraction unit 300 based on a total of five batches (Batches 1 to 5) by adding two batches before and after. is extracted, and when the extracted feature is applied to the OSA detection unit 410, the OSA detection unit 410 outputs a result of normal when breathing is normal and abnormal when apnea is detected, and the label centered on batch 3. The result can be output as abnormal, that is, in the OSA state.

4번 배치에 대하여 검사를 수행하는 경우에는 앞뒤 2개씩의 배치를 더하여 2 내지 6번 배치를 하나의 라벨로 설정되어 있으며, 4번 배치가 정상이므로 정상결과를 출력할 수 있다.In the case of performing the test on batch No. 4, batches No. 2 to 6 are set as one label by adding two batches before and after, and since batch No. 4 is normal, a normal result can be output.

수면시간 추정부(420)은 OSA 검출부(410)에서 검출한 OSA에 의하여 일시적으로 잠이 깨는 등의 기상시간(wake time)을 제외한 순수 수면 시간(Pure sleep time)을 추정할 수 있다.The sleep time estimator 420 may estimate pure sleep time excluding wake time, such as temporarily waking up, by the OSA detected by the OSA detector 410 .

수면시간 추정부(420)는 일반적으로 OSA 검출부(410)과 동시에 특징추출부(300)의 신호를 받아 동작을 수행할 수 있으며, OSA 검출부(410)의 검출 결과를 제외한 시간을 순수 수면 시간으로 추정할 수 있다.The sleep time estimator 420 may generally perform an operation by receiving a signal from the feature extraction unit 300 simultaneously with the OSA detection unit 410, and the time excluding the detection result of the OSA detection unit 410 is regarded as pure sleep time. can be estimated

또한, OSA에 의하여 잠에서 일시적으로 각성 상태로 들어가는 경우에 즉시 다시 수면상태에 진입하지 않으므로 실험적 결과를 토대로 추가적으로 각성 시간을 제외하여 순수 수면 시간으로 추정할 수 있다.In addition, when the OSA temporarily enters the wake state from sleep, it does not immediately enter the sleep state again, so it can be estimated as the pure sleep time by excluding the wake time additionally based on the experimental results.

다시 말하면, 특징추출부(300)에서 추출된 특징은 OSA 검출부(410) 및 수면시간 추정부(420)에 인가되어 OSA와 정상 수면으로 분류될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 별도의 구성으로 구분하고 있으나, 단일 구성요소로 존재할 수도 있다.In other words, the features extracted by the feature extraction unit 300 are applied to the OSA detection unit 410 and the sleep time estimation unit 420 to be classified into OSA and normal sleep, and in one embodiment of the present invention, a separate configuration , but may exist as a single component.

AHI 계산부(430)는 OSA 검출부(410) 및 수면시간 추정부(420)에서 측정한 OSA 및 순수 수면 시간을 기반으로 무호흡-저호흡 지수(Apnea-Hypopnea Index, AHI)를 계산할 수 있다.The AHI calculation unit 430 may calculate an Apnea-Hypopnea Index (AHI) based on the OSA and pure sleep time measured by the OSA detection unit 410 and the sleep time estimation unit 420.

무호흡(Apnea)은 일반적으로 10초 이상의 호흡 정지를 의미하며, 저호흡(Hypopnea)은 10초 이상의 시간동안 환기량(호흡량)이 50%이상 저하되는 것으로서 AHI는 수면 1시간당 발생하는 무호흡, 저호흡의 평균 횟수를 의미한다.Apnea generally means stopping breathing for more than 10 seconds, and hypopnea is a decrease in ventilation (respiratory volume) by more than 50% for more than 10 seconds. means average number of times.

본 발명의 일 실시예의 세분화부(210)에서 1분 단위로 배치를 생성하였으므로 1시간에 총 60개의 배치가 생성되며, 라벨링부에서도 동일하게 60개의 에포크가 생성될 수 있다. 이러한 60개의 에포크의 특징 데이터가 OSA 검출부(410) 및 수면시간 추정부(420)에 인가되어 OSA 및 순수 수면 시간을 측정하여 AHI를 계산함으로써 보다 정확한 AHI를 계산할 수 있다.Since batches are generated in units of 1 minute in the segmentation unit 210 according to an embodiment of the present invention, a total of 60 batches are generated in 1 hour, and 60 epochs can be generated in the same way in the labeling unit. The feature data of these 60 epochs is applied to the OSA detection unit 410 and the sleep time estimation unit 420 to measure the OSA and the pure sleep time to calculate the AHI, thereby allowing a more accurate AHI to be calculated.

특히, 본 발명의 일 실시예에서는 순수 수면 시간을 이용하여 AHI를 계산하고 있으며, 종래 기술에서와 같이 OSA 만으로 AHI를 계산하는 구성과는 분명한 차이가 있으며, 이러한 순수 수면 시간을 AHI의 계산에 포함시킴으로써 보다 정확한 AHI를 계산할 수 있다.In particular, in one embodiment of the present invention, AHI is calculated using pure sleep time, and there is a clear difference from a configuration in which AHI is calculated only with OSA as in the prior art, and such pure sleep time is included in the calculation of AHI. By doing so, a more accurate AHI can be calculated.

호흡상태 추정부(440)는 AHI계산부(430)의 AHI 값을 받아 OSA의 심각도를 분류할 수 있다.The respiratory state estimation unit 440 may classify the severity of OSA by receiving the AHI value of the AHI calculation unit 430 .

일반적으로 AHI가 5 미만이면 정상이고, 5 내지 15이면 경증이고, 15 내지 30일 경우 중등도이고, 30을 초과하는 경우 중증환자로 분류하고 있으며, 이러한 분류에 따라 사용자에게 심각도를 제공할 수 있다.In general, an AHI of less than 5 is normal, 5 to 15 is mild, 15 to 30 is moderate, and more than 30 is classified as severe, and severity can be provided to users according to this classification.

또한, 도면에서는 개시되어 있지 않으나, 수면 호흡 상태 분류 장치의 측정 결과는 유무선 통신망을 이용하여 클라우드, 서버 등의 저장장치(미도시)로 전달되어 저장될 수 있으며, 병원, 의원 등의 의료기관에서 사용자의 동의를 얻어 저장된 정보를 제공받아 진단 및 치료 등 의학적 용도로 활용할 수 있다.In addition, although not disclosed in the drawings, the measurement results of the device for classifying sleep breathing conditions may be transmitted and stored in a storage device (not shown) such as a cloud or server using a wired or wireless communication network, and may be stored by a user in a medical institution such as a hospital or clinic. The stored information can be provided and used for medical purposes such as diagnosis and treatment.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 장치에서 이용되는 딥러닝의 구조에 대한 도면이다. 3 is a diagram of a structure of deep learning used in a sleep breathing state classification apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에서는 딥러닝을 이용하여 OSA를 검출할 수 있으며, 딥러닝은 LSTM(Long Short-Term Memory) 및 컨볼루션 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)의 결합으로 구성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, OSA can be detected using deep learning, and deep learning can be configured by a combination of Long Short-Term Memory (LSTM) and Convolutional Neural Network (CNN).

LSTM을 이용하여 ECG 데이터의 시계열 데이터 분류를 실시하고, CNN은 OSA 및 순수 수면 시간의 판단을 위하여 이용될 수 있다. 또한, CNN을 이용하여 특징을 추출할 수 있음은 물론이다.Time-series data classification of ECG data is performed using LSTM, and CNN can be used to determine OSA and pure sleep time. In addition, it goes without saying that features can be extracted using CNN.

또한, 편의에 따라 보다 쉽게 이해할 수 있도록 도 1에서와 같이 진단부(400)의 구성을 OSA검출부 (410), 수면시간 추정부(420), AHI 계산부(430) 및 호흡상태 추정부(440)로 구체화하여 설명을 실시하였으나, 실제로는 하나의 딥러닝에서 모두 처리하여 제공될 수도 있으며, OSA검출부 (410), 수면시간 추정부(420)의 구성만을 딥러닝으로 구현한 뒤에 수학적 알고리즘을 기반으로 AHI 계산 및 호흡상태 추정을 실시할 수도 있다.In addition, for convenience, as shown in FIG. 1, the diagnosis unit 400 is composed of an OSA detection unit 410, a sleep time estimation unit 420, an AHI calculation unit 430, and a breathing state estimation unit 440 so as to be more easily understood according to convenience. ), but in reality, all of them can be processed and provided in one deep learning. It is also possible to perform AHI calculation and respiratory state estimation.

도 3은 OSA검출부 (410), 수면시간 추정부(420)의 구성만을 딥러닝으로 구현한 예시이다.3 is an example in which only the configurations of the OSA detection unit 410 and the sleep time estimation unit 420 are implemented by deep learning.

레이어의 수가 많아지면 기울기 소실 및 신경망의 과도한 동작으로 인한 폭주 문제가 발생할 가능성이 있다.If the number of layers increases, there is a possibility of congestion due to loss of gradient and excessive operation of the neural network.

본 발명의 일 실시예에서는 기울기 소실 및 폭주 문제의 발생 가능성을 최소화할 수 있도록 1-D 컨볼루션 필터를 거칠 때마다 배치-정규화(batch-normalizaion)를 이용할 수 있다.In an embodiment of the present invention, batch-normalization may be used whenever passing through a 1-D convolution filter to minimize the possibility of loss of gradient and convergence problems.

또한, 딥러닝에서 데이터에 따라 오버피팅이 발생될 여지를 방지하기 위하여 드롭아웃(dropout)을 0.7로 설정할 수 있다. In addition, dropout can be set to 0.7 to prevent overfitting according to data in deep learning.

또한, 소프트맥스(sofrmax)를 이용하여 ECG 특징(RRI, EDR, AMP)를 기반으로 정상 호흡과 비정상 호흡(OSA)을 분류할 수 있다.In addition, it is possible to classify normal respiration and abnormal respiration (OSA) based on ECG characteristics (RRI, EDR, AMP) using softmax.

본 발명의 일 실시예에서는 LSTM과 CNN을 이용한 딥러닝을 기반으로 호흡 분류를 수행하는 방법에 대하여 예시하고 있으나, 이에 한정되지 않고 호흡 분류를 수행할 수 있다면 RNN, ANN, GAN, 기계학습 등 모든 인공신경망을 이용하여 구성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, a method for performing respiratory classification based on deep learning using LSTM and CNN is exemplified, but is not limited thereto, and if respiratory classification can be performed, all RNNs, ANNs, GANs, machine learning, etc. It can be configured using an artificial neural network.

본 발명의 일 실시예에서의 딥러닝은 Physionet에서 제공되는 데이터, 종래 수면다원검사를 통하여 획득한 데이터 등을 이용하여 사전에 학습된 모델일 수 있으며, 사전에 다양한 형태의 헤르츠(Hz)로 측정된 트레이닝 세트를 구비하여 학습을 수행함으로써 ECG 측정에 이용된 헤르츠에 상관없이 호흡 분류를 수행할 수 있다.Deep learning in one embodiment of the present invention may be a model learned in advance using data provided from Physionet, data obtained through conventional polysomnography, etc., and measured in various forms of Hertz (Hz) in advance Respiration classification can be performed regardless of the hertz used for ECG measurement by performing learning with a training set.

또한, 본 발명의 일 실시예에서의 딥러닝은 사전에 학습이 완료되어 있으므로 사용자가 즉시 측정에 활용할 수 있으며, 측정 결과는 저장장치(미도시)에 저장되어 딥러닝의 추가적인 학습에 활용될 수 있다. In addition, since deep learning in one embodiment of the present invention has been completed in advance, the user can immediately use it for measurement, and the measurement result can be stored in a storage device (not shown) and used for additional learning of deep learning. there is.

즉, 본 발명의 딥러닝은 사용을 반복할수록 사용자 별 맞춤형 모델을 형성할 수 있으며, 사용자 별 맞춤 학습을 수행함에 따라 OSA 측정의 정확도도 함께 향상될 수 있다.That is, the deep learning of the present invention can form a customized model for each user as the use is repeated, and the accuracy of OSA measurement can be improved as the customized learning for each user is performed.

더하여, 다수의 사용자가 하나의 기기를 이용하여 측정을 함으로 인하여 ㄱ딥러닝의 학습에 문제가 생길 수 있으므로 지문, ID 등의 다양한 방법을 통한 사용자 인증 단계를 추가함으로써 복수의 사용자에게도 사용자 별 맞춤 모델을 제공할 수 있다.In addition, since multiple users measure using one device, there may be problems with deep learning learning. can provide

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 호흡 상태 분류 방법의 순서도이다.4 is a flowchart of a sleep breathing state classification method according to an embodiment of the present invention.

사용자가 수면 호흡 상태 분류 장치를 착용하고 수면을 실시하면 생체신호 측정부(100)에서 ECG 신호를 측정할 수 있다(S100).When the user wears the device for classifying sleep breathing conditions and performs sleep, the bio-signal measuring unit 100 may measure the ECG signal (S100).

측정된 ECG 신호는 기설정된 단위로 분할될 수 있다(S200). The measured ECG signal may be divided into predetermined units (S200).

분할된 ECG 신호의 특징을 추출하고(S300), 추출된 특징을 이용하여 호흡상태를 진단할 수 있다(S400).The features of the divided ECG signal are extracted (S300), and the respiratory state can be diagnosed using the extracted features (S400).

도 5는 상기 S200 단계를 구체적으로 설명하는 도면이다.5 is a diagram for explaining step S200 in detail.

ECG 신호가 인가되면 전처리부(200)에서는 기설정된 단위로 분할하는 전처리를 수행할 수 있다. 전처리를 수행하기 위하여 측정된 ECG 신호는 세분화부(210)에서 기설정된 단위로 분할될 수 있다(S210).When the ECG signal is applied, the pre-processing unit 200 may perform pre-processing of dividing into predetermined units. To perform preprocessing, the measured ECG signal may be divided into preset units in the segmentation unit 210 (S210).

상기 분할되는 단위는 1분으로 분할하는 것을 원칙으로 하나, 이에 한정되지 않고 이전 측정 결과에 따라 보다 구체적인 평가가 필요한 경우에는 30초, 15초 등으로 세분화하거나, 수면 중 무호흡증이 적은 사용자의 경우에는 5분, 10분 등으로 간격을 넓혀 측정의 용의성 확보 및 정화도 향상을 위하여 동적으로 분할되는 단위를 조절할 수 있다.In principle, the divided unit is divided into 1 minute, but is not limited thereto, and if more specific evaluation is required according to the previous measurement result, it is subdivided into 30 seconds, 15 seconds, etc., or in the case of users with less sleep apnea By widening the interval to 5 minutes, 10 minutes, etc., the units that are dynamically divided can be adjusted to secure the ease of measurement and improve the degree of accuracy.

ECG신호가 분할되면 분할된 각 영역에 대하여 라벨링을 실시할 수 있다(S220).When the ECG signal is divided, labeling may be performed on each divided region (S220).

ECG 신호는 시간적인 연속성을 띄고 있는 신호이기 때문에 OSA 검출 또한 연속적인 시계열성을 포함하고 있으므로 보다 정확한 측정을 위해서 검사에 이용되는 라벨은 연속성을 포함하고 있어야 한다.Since the ECG signal is a signal with temporal continuity, OSA detection also includes continuous time series, so the label used for the test must include continuity for more accurate measurement.

본 발명의 일 실시예에서는 분할된 ECG 신호가 연속성을 확보할 수 있도록 측정하기 위한 분할된 신호의 전후 2개의 영역을 결합한 영역을 하나의 라벨로 라벨링할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a region combining two regions before and after the divided signal to be measured may be labeled with one label so as to ensure continuity of the divided ECG signal.

예를 들어, 도 2를 참조하면 측정기간을 10개의 영역으로 분할하는 경우, 3번 영역을 검사하기 위해서는 3번 영역의 앞 2개의 영역인 1, 2번 영역과 뒤 2개의 영역인 4, 5번 영역인 1번 내지 5번 영역을 하나의 라벨로 라벨링을 수행할 수 있다.For example, referring to FIG. 2, when the measurement period is divided into 10 areas, in order to inspect area 3, two areas in front of area 3, areas 1 and 2, and two areas after area 4, 5 Areas 1 to 5, which are burn areas, may be labeled with one label.

동일한 방법으로 5번 영역을 검사하기 위해서는 앞 2개 영역인 3, 4번 영역과 뒤 2개 영역인 6, 7번 영역인 3번 내지 7번 영역을 하나의 라벨로 라벨링을 수행할 수 있다.In order to inspect area 5 in the same way, the front two areas, areas 3 and 4, and the back two areas, areas 6 and 7, areas 3 to 7, may be labeled with one label.

상기와 같은 방식으로 라벨링을 실시하게 되면 3번 신호 검사 후에 4번 신호를 검사하는 경우에 각 라벨 내에 2, 3, 4, 5번 신호가 동일하게 포함되어 있어 신호의 연속성을 확보할 수 있다.When labeling is performed in the above manner, signal continuity can be ensured because signals 2, 3, 4, and 5 are equally included in each label when signal 4 is inspected after signal 3 is inspected.

ECG 신호에 대하여 라벨링이 완료되면 각 라벨에 대해 측정 정확도를 향상시키기 위하여 잡음 등을 필터링할 수 있다(S230).When labeling of the ECG signal is completed, noise and the like may be filtered to improve measurement accuracy for each label (S230).

도 6은 상기 S300 단계를 구체적으로 설명하는 도면이다.6 is a diagram for explaining the step S300 in detail.

분할된 신호는 특징추출부(300)로 인가되어 특징을 추출할 수 있다.The divided signal may be applied to the feature extractor 300 to extract features.

각 라벨은 피크탐지부(310)으로 인가되어 라벨 내 ECG 신호에 대하여 R-피크를 탐지할 수 있다(S310).Each label is applied to the peak detection unit 310 to detect the R-peak of the ECG signal within the label (S310).

ECG 신호는 P파, Q파, R파, S파, T파 등 복수의 파형 형태를 포함하고 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 이 중 피크에 해당하는 R파를 검출하여 이용할 수 있다.The ECG signal includes a plurality of waveforms such as P wave, Q wave, R wave, S wave, and T wave, and in one embodiment of the present invention, the R wave corresponding to the peak can be detected and used.

R-피크(R파)는 Neurokit를 이용하여 탐지할 수 있으며, 이 외에도 R파 탐지가 가능한 ECG 신호를 분석할 수 있는 다양한 방법을 활용하여 동작을 수행할 수 있다.R-Peak (R wave) can be detected using Neurokit, and in addition to this, the operation can be performed using various methods that can analyze ECG signals capable of detecting R waves.

탐지된 R-피크를 이용하여 복수의 특징을 추출할 수 있다(S320).A plurality of features may be extracted using the detected R-peak (S320).

본 발명의 일 실시예에서는 상기 복수의 특징은 R-피크 사이의 간격인 RRI(R-peak R-peak Interver), 심전도 유도 호흡(ECG-Derived Respiration, EDR) 및 심전도의 진폭(Amplitude of ECG, AMP)의 3가지 특징을 이용하여 OSA를 검출하고 있으나, 이 외에도 정확도 증가, 환경 등의 필요에 따라 추가적인 신호 및 특징을 추출하여 함께 이용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the plurality of features include R-peak R-peak Interver (RRI), which is an interval between R-peaks, ECG-Derived Respiration (EDR), and Amplitude of ECG, AMP) is used to detect OSA, but in addition to this, additional signals and features can be extracted and used together according to the needs of increased accuracy and environment.

추출된 복수의 특징은 진단부(400)에서 보다 정확한 진단을 수행할 수 있도록 특징을 리사이징할 수 있다(S330).The plurality of extracted features may be resized so that the diagnostic unit 400 can perform a more accurate diagnosis (S330).

예를 들어, 상기 리사이징을 위하여 리사이징부(330)에서는 RRI에 대하여 보간법을 기반으로 오버샘플링을 실시하고, EDR에 대하여 보간법을 기반으로 다운샘플링을 실시할 수 있다.For example, for the resizing, the resizing unit 330 may perform oversampling based on an interpolation method for RRI and downsampling based on an interpolation method for EDR.

도 7은 상기 S400 단계를 구체적으로 설명하는 도면이다.7 is a diagram for explaining the step S400 in detail.

리사이징이 완료된 복수의 특징은 OSA검출부(410)에서 OSA의 유무를 검출할 수 있다(S410).The OSA detection unit 410 may detect the presence or absence of OSA in the plurality of features for which resizing is completed (S410).

OSA 검출부(410)는 입력된 라벨 중 중간에 위치하는 라벨의 ECG 신호의 특징을 분석하여 정상 호흡과 비정상 호흡으로 구분할 수 있으며, 이 중 비정상 호흡으로 판단되는 경우, OSA로 인지하여 해당 라벨을 OSA라고 검출할 수 있다.The OSA detecting unit 410 analyzes the characteristics of the ECG signal of the label located in the middle of the input label to classify it into normal respiration and abnormal respiration. can be detected.

또한, 리사이징이 완료된 복수의 특징은 수면시간 추정부(420)에서 순수 수면 시간(Pure sleep time)을 추정할 수 있다(S420).In addition, for the plurality of features for which resizing is completed, the sleep time estimation unit 420 may estimate pure sleep time (S420).

상기 S410 단계 및 상기 S420 단계는 특징추출부(300)에서 추출한 특징을 받아 동작하는 단계로서 동시에 수행될 수도 있고, OSA 검출 이후 수면 시간을 측정하는 순으로 순차적으로 수행될 수도 있다.Steps S410 and S420 may be performed simultaneously as steps of receiving and operating the features extracted by the feature extraction unit 300, or may be performed sequentially in the order of measuring the sleep time after OSA detection.

또한, 상기 S410 단계 및 S420 단계는 LSTM 및 CNN으로 구성되는 딥러닝을 이용하여 동작을 수행할 수 있으며, 필요에 따라 상기 S300동작 또한 딥러닝을 이용하여 수행될 수 있다.In addition, the steps S410 and S420 may be performed using deep learning composed of LSTM and CNN, and the operation S300 may also be performed using deep learning, if necessary.

OSA 검출 결과 및 추정된 수면 시간 정보를 기반으로 AHI를 계산할 수 있다(S430).AHI may be calculated based on the OSA detection result and the estimated sleep time information (S430).

AHI는 수면 시간 내의 무호흡-저호흡 지수를 의미하므로 수면 시간의 계산이 중요하다. 종래의 기술에서는 수면 시간을 취침 시작 시간 내지 기상 시간의 일괄적인 시간 계산으로 AHI를 계산하고 있어 정확한 AHI기 계산되지 않는다는 문제가 있으며, 본원발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 상기의 S420단계에서와 같이 순수 수면 시간을 계산하여 이를 기반으로 AHI를 계산하고 있어 정확한 AHI를 계산할 수 있다.Calculation of sleep time is important because AHI means the apnea-hypopnea index within sleep time. In the prior art, there is a problem that the AHI is not calculated accurately because the AHI is calculated by collectively calculating the sleep time from the bedtime start time to the wake-up time, and in the present invention, in order to solve this problem, as in the above step S420 AHI is calculated based on pure sleep time, so an accurate AHI can be calculated.

AHI의 계산이 완료되면 OSA 중증도를 추정하여 사용자에게 제공할 수 있다(S440). When the calculation of AHI is completed, OSA severity may be estimated and provided to the user (S440).

OSA 중증도는 AHI 값을 기반으로 계산되며, 일반적으로 1시간 단위로 5분 미만의 OSA는 정상 상태, 5분 내지 15분 이내일 경우 경증도, 15분 내지 30분 이내일 경우 중등도, 30분 이상일 경우 중증도로 판단하여 사용자에게 제공할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 임상결과 혹은 사용자의 수면 시간에 대비한 AHI 지수 등을 기반으로 사용자에게 데이터를 제공할 수 있다.OSA severity is calculated based on the AHI value, and in general, OSA of less than 5 minutes per hour is normal, less than 5 to 15 minutes is mild, less than 15 to 30 minutes is moderate, and more than 30 minutes In this case, the degree of severity may be determined and provided to the user, but data may be provided to the user based on clinical results or an AHI index prepared for the user's sleep time.

본 발명의 도 4 내지 도 7에서는 개시되어 있지 않으나 추가적으로 측정 데이터(ECG 신호, 특징값, OSA, 순수 수면시간, AHI, OSA 중증도)를 저장장치에 저장하는 단계, 딥러닝을 학습하는 단계, 의료기관으로 전송하는 단계, 및 의료기관에서 측정 데이터를 분석하여 의학적 처방 또는 치료를 계획하는 단계를 더 포함할 수 있다.Although not disclosed in FIGS. 4 to 7 of the present invention, additionally storing measurement data (ECG signal, feature value, OSA, pure sleep time, AHI, OSA severity) in a storage device, learning deep learning, medical institutions The method may further include transmitting the measurement data to a medical institution and planning a medical prescription or treatment by analyzing the measurement data at a medical institution.

본 발명에서는 일 실시예를 포함하여 수면 호흡 상태 분류 장치의 구조 및 동작 방법을 제시하고 있으며, 종래 기술에 대비하여 본 발명의 수면 호흡 상태 분류 장치의 구조 및 동작 방법은 ECG 단일 신호만을 이용하여 폐쇄성 무호흡증을 진단할 수 있어 장치의 크기를 대폭 감소시킬 수 있다.In the present invention, including an embodiment, the structure and operation method of the sleep breathing state classification device are proposed, and in contrast to the prior art, the structure and operation method of the sleep breathing state classification device of the present invention use only a single ECG signal to detect obstructive It can diagnose apnea, so the size of the device can be drastically reduced.

또한, 딥러닝을 이용하여 폐쇄성 무호흡증을 진단함으로써 사용자 별 맞춤형 폐쇄성 무호흡증 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.In addition, by diagnosing obstructive apnea using deep learning, it is possible to provide a device and method for measuring obstructive apnea customized for each user.

또한, 폐쇄성 무호흡증 발생 시간과 실제 수면 시간을 분리하여 폐쇄성 무호흡-저호흡 지수를 계산함으로써 보다 정확한 폐쇄성 무호흡증 중증도를 계산할 수 있다.In addition, the severity of obstructive apnea can be more accurately calculated by calculating the obstructive apnea-hypopnea index by separating the time of occurrence of obstructive apnea and actual sleep time.

또한, 폐쇄성 무호흡증의 측정 단위 시간을 변경함으로써 보다 정확한 수면 시간을 계산할 수 있다.In addition, a more accurate sleep time can be calculated by changing the measurement unit time of obstructive apnea.

상술한 실시 예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에 만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에 서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.Features, structures, effects, etc. described in the above embodiments are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, and effects illustrated in each embodiment can be combined or modified with respect to other embodiments by those skilled in the art in the field to which the embodiments belong.

따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시 예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, contents related to these combinations and variations should be construed as being included in the scope of the present invention. In addition, although the embodiments have been described above, these are only examples and do not limit the present invention, and those of ordinary skill in the field to which the present invention belongs can exemplify the above to the extent that does not deviate from the essential characteristics of the present embodiment. It will be seen that various variations and applications are possible that have not yet been made. For example, each component specifically shown in the embodiments can be modified and implemented. And differences related to these variations and applications should be construed as being included in the scope of the present invention as defined in the appended claims.

100: 생체신호 측정부
200: 전처리부 210: 세분화부
220: 라벨링부 230: 필터링부
300: 특징추출부 310: 피크탐지부
320: 특징생성부 330: 리사이징부
400: 진단부 410: OSA 검출부
420: 수면시간 추정부 430: AHI 계산부
440: 호흡상태 추정부
100: biosignal measuring unit
200: pre-processing unit 210: segmentation unit
220: labeling unit 230: filtering unit
300: feature extraction unit 310: peak detection unit
320: feature generator 330: resizing unit
400: diagnosis unit 410: OSA detection unit
420: sleep time estimation unit 430: AHI calculation unit
440: breathing state estimation unit

Claims (16)

사용자의 수면 중 ECG 신호를 측정하는 생체신호 측정부;
상기 ECG 신호를 전처리하는 전처리부;
상기 전처리된 상기 ECG 신호의 특징을 추출하는 특징추출부; 및
상기 특징을 이용하여 상기 사용자의 호흡상태를 진단하는 진단부;
를 포함하며,
상기 특징추출부 및 상기 진단부는 딥러닝으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 장치.
a bio-signal measurement unit for measuring an ECG signal of a user while sleeping;
a pre-processing unit pre-processing the ECG signal;
a feature extraction unit extracting features of the preprocessed ECG signal; and
a diagnostic unit for diagnosing the user's respiratory state using the characteristics;
Including,
Sleep breathing state classification device, characterized in that the feature extraction unit and the diagnosis unit are composed of deep learning.
제1항에 있어서,
상기 전처리부는
상기 ECG 신호를 이산 슬라이딩 윈도우(discrete sliding window) 방식을 이용하여 기설정된 단위로 세분화하는 세분화부;
상기 세분화부에서 세분화된 상기 ECG 신호의 각 영역을 라벨링하는 라벨링부; 및
상기 라벨링된 라벨을 필터링하는 필터링부;
를 포함하며,
상기 라벨링부는 상기 세분화부에서 세분화된 각 영역 중 상기 진단부가 진단하고자 하는 영역의 전후 영역을 하나의 그룹으로 묶어 라벨링을 수행하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 장치.
According to claim 1,
The pre-processing unit
a segmentation unit that subdivides the ECG signal into predetermined units using a discrete sliding window method;
a labeling unit for labeling each region of the ECG signal segmented in the segmentation unit; and
a filtering unit filtering the labeled labels;
Including,
The sleep breathing state classification apparatus, characterized in that the labeling unit performs labeling by grouping regions in front and behind of the region to be diagnosed by the diagnosis unit among each region subdivided in the segmentation unit.
제2항에 있어서,
상기 진단부의 신뢰도에 따라 상기 세분화부의 세분화 단위를 상기 기설정된 단위보다 더 작은 단위로 다시 설정하여 상기 호흡상태를 재진단하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 장치.
According to claim 2,
Sleep breathing state classification device, characterized in that the re-diagnosis of the breathing state by resetting the subdivision unit of the subdivision unit to a unit smaller than the predetermined unit according to the reliability of the diagnosis unit.
제1항에 있어서,
상기 특징추출부는
상기 ECG 신호에서 R파의 피크를 탐지하는 피크탐지부;
상기 R파의 피크를 기반으로 특징을 생성하는 특징생성부; 및
상기 특징을 리사이징하는 리사이징부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 장치.
According to claim 1,
The feature extraction unit
a peak detection unit detecting a peak of an R wave in the ECG signal;
a feature generating unit generating a feature based on the peak of the R wave; and
a resizing unit that resizes the feature;
Sleep breathing state classification device comprising a.
제4항에 있어서,
상기 특징은 심전도에서 R파에서 다음의 R파까지의 간격(RRI), ECG 유도 호흡(ECG-Derived Respiration, EDR) 및 심전도의 진폭(amplitude of ECG, AMP)이며,
상기 리사이징부는 보간법을 이용하여 상기 RRI는 오버샘플링을 수행하고, 상기 EDR은 다운샘플링을 수행하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 장치.
According to claim 4,
The characteristics are the interval from R wave to the next R wave in the electrocardiogram (RRI), ECG-Derived Respiration (EDR), and amplitude of ECG (AMP),
Wherein the resizing unit performs oversampling by the RRI and downsampling by the EDR using an interpolation method.
제1항에 있어서,
상기 진단부는
상기 특징을 이용하여 폐쇄성 수면무호흡(OSA)을 검출하는 OSA 검출부;
상기 특징을 이용하여 순수한 수면 시간을 추정하는 수면시간 추정부;
상기 OSA 및 상기 수면 시간을 이용하여 무호흡-저호흡 지수(AHI)를 계산하는 AHI 계산부; 및
상기 AHI를 기반으로 수면무호흡 중증도를 추정하는 호흡상태 추정부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 장치.
According to claim 1,
The diagnosis department
an OSA detection unit for detecting obstructive sleep apnea (OSA) using the above characteristics;
a sleep time estimator for estimating a pure sleep time using the feature;
an AHI calculation unit for calculating an apnea-hypopnea index (AHI) using the OSA and the sleep time; and
a respiratory state estimator estimating severity of sleep apnea based on the AHI;
Sleep breathing state classification device comprising a.
제6항에 있어서,
상기 딥러닝은 LSTM(Long Short-Term Memory) 및 컨볼루션 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)의 결합으로 구성되며,
상기 OSA 및 AHI는 소프트맥스를 이용하여 각 호흡의 확률을 계산하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 장치.
According to claim 6,
The deep learning is composed of a combination of Long Short-Term Memory (LSTM) and Convolutional Neural Network (CNN),
The OSA and AHI are sleep breathing state classification apparatus, characterized in that for calculating the probability of each breath using softmax.
제7항에 있어서,
상기 진단부의 측정 결과 및 상기 ECG 신호를 이용하여 상기 컨볼루션 신경망의 학습을 수행하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 장치.
According to claim 7,
Sleep breathing state classification device, characterized in that for performing the learning of the convolutional neural network using the measurement result of the diagnostic unit and the ECG signal.
수면 상태의 ECG 신호를 측정하는 단계;
상기 ECG 신호를 기설정된 단위로 분할하는 단계;
분할된 상기 ECG 신호의 특징을 추출하는 단계; 및
상기 특징을 이용하여 호흡 상태를 진단하는 단계;
를 포함하며,
상기 특징을 추출하는 단계 및 상기 호흡 상태를 진단하는 단계는 딥러닝으로 구성되는 분류 모델을 이용하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 방법.
measuring an ECG signal in a sleep state;
Dividing the ECG signal into predetermined units;
extracting features of the divided ECG signal; and
diagnosing a respiratory state using the characteristics;
Including,
The step of extracting the feature and the step of diagnosing the breathing state are sleep breathing state classification method, characterized in that using a classification model composed of deep learning.
제9항에 있어서,
상기 기설정된 단위로 분할하는 단계는
상기 ECG 신호를 이산 슬라이딩 윈도우(discrete sliding window) 방식을 이용하여 기설정된 단위로 세분화하는 단계;
상기 세분화된 각 구역을 라벨링하는 단계;
상기 라벨링된 벨 중 측정하고자 하는 라벨의 전후 라벨을 묶어 하나의 그룹으로 설정하는 단계; 및
상기 그룹을 필터링하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 방법.
According to claim 9,
The step of dividing into the predetermined unit is
subdividing the ECG signal into predetermined units using a discrete sliding window method;
labeling each of the subdivided regions;
grouping labels before and after the label to be measured among the labeled bells and setting them as one group; and
filtering the group;
Sleep breathing state classification method comprising a.
제10항에 있어서,
상기 호흡 상태의 신뢰도에 따라 상기 세분화하는 단위를 기설정된 단위보다 더 작은 단위로 다시 세분화하여 상기 호흡 상태를 재진단하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 방법.
According to claim 10,
Sleep breathing state classification method, characterized in that the re-diagnosis of the breathing state by subdividing the subdivided unit into smaller units than a predetermined unit according to the reliability of the breathing state.
제9항에 있어서,
상기 특징을 추출하는 단계는
분할된 상기 ECG 신호에서 R파의 피크를 탐지하는 단계;
상기 R파의 피크를 기반으로 특징을 추출하는 단계; 및
상기 특징을 리사이징하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 방법.
According to claim 9,
Extracting the features
detecting a peak of an R wave in the divided ECG signal;
extracting a feature based on the peak of the R wave; and
resizing the feature;
Sleep breathing state classification method comprising a.
제12항에 있어서,
상기 특징은 심전도에서 R파에서 다음의 R파까지의 간격(RRI), ECG 유도 호흡(ECG-Derived Respiration, EDR) 및 심전도의 진폭(amplitude of ECG, AMP)이며,
상기 리사이징하는 단계는 보간법을 이용하여 상기 RRI는 오버샘플링을 수행하고, 상기 EDR은 다운샘플링을 수행하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 방법.
According to claim 12,
The characteristics are the interval from R wave to the next R wave in the electrocardiogram (RRI), ECG-Derived Respiration (EDR), and amplitude of ECG (AMP),
In the resizing step, the RRI performs oversampling and the EDR performs downsampling using an interpolation method.
제9항에 있어서,
호흡 상태를 진단하는 단계는
상기 특징을 이용하여 폐쇄성 수면무호흡(OSA) 및 순수한 수면 시간을 검출하는 단계;
상기 OSA 및 상기 수면 시간을 기반으로 무호흡-저호흡 지수(AHI)를 계산하는 단계; 및
상기 수면무호흡 중증도를 추정하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 방법.
According to claim 9,
Steps to diagnose breathing
Detecting obstructive sleep apnea (OSA) and pure sleep time using the feature;
Calculating an apnea-hypopnea index (AHI) based on the OSA and the sleep time; and
estimating the severity of sleep apnea;
Sleep breathing state classification method comprising a.
제14항에 있어서,
상기 딥러닝은 LSTM(Long Short-Term Memory) 및 컨볼루션 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)의 결합으로 구성되며,
상기 OSA 및 AHI는 소프트맥스를 이용하여 각 호흡의 확률을 계산하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 방법.
According to claim 14,
The deep learning is composed of a combination of Long Short-Term Memory (LSTM) and Convolutional Neural Network (CNN),
The OSA and AHI are sleep breathing state classification method, characterized in that for calculating the probability of each breath using softmax.
제15항에 있어서,
상기 호흡 상태를 진단하는 단계는 측정 결과 및 상기 ECG 신호를 이용하여 상기 컨볼루션 신경망의 학습을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수면 호흡 상태 분류 방법.

According to claim 15,
The step of diagnosing the breathing state further comprises the step of performing learning of the convolutional neural network using the measurement result and the ECG signal.

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