KR102216047B1 - Method and apparatus for classifying cardiac arrhythmia using an auto associative neural network - Google Patents
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Abstract
자동 결합 뉴런 네트워크를 이용하여 심장부정맥을 분류하는 방법 및 장치가 개시된다. 일측면에 따른 심장부정맥 분류 방법은, 개인의 심장의 전기적인 활동을 나타내며 심전도 박동들을 포함하는 심전도 신호를, 일정 시구간 동안 수신하는 단계, 각각의 부정맥 클래스에 대응하는 자동 결합 뉴런 네트워크를 이용하여 심전도 박동의 각각에 대응하는 합성 박동들을 생성하는 단계, 합성 박동들 중에서 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단하는 단계 및 심전도 박동에 실질적으로 부합하는 식별된 합성 박동에 기초하여 특정 유형의 심장부정맥에 대응하는 부정맥 클래스를 제공하는 단계를 포함한다. 각각의 부정맥 클래스는 특정 유형의 심장 이상에 대응된다. Disclosed is a method and apparatus for classifying cardiac arrhythmia using a network of auto-coupled neurons. The cardiac arrhythmia classification method according to one aspect is the step of receiving an electrocardiogram signal including electrocardiogram beats representing the electrical activity of an individual's heart, for a certain period of time, using an auto-coupled neuron network corresponding to each arrhythmia class. Generating synthetic beats corresponding to each of the ECG beats, determining that the composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats substantially matches the input ECG beats, and identifying substantially corresponding to the ECG beats And providing an arrhythmia class corresponding to the specific type of cardiac arrhythmia based on the synthesized beats. Each arrhythmia class corresponds to a specific type of cardiac abnormality.
Description
헬스 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 심장부정맥을 분류하는 방법 및 장치에 관한 것이다. It relates to a health monitoring system, and more particularly, to a method and apparatus for classifying cardiac arrhythmia.
심전도 패턴을 자동 검출 및 분류하는 것은 다양한 심장부정맥 상태를 진단하고 치료함에 있어서 매우 중요하다. 이는 부정맥이 극심한 심근경색으로부터 회복 중인 환자들을 심각하게 위협하는 원인이기 때문이다. 자동 부정맥 검출기는 삶의 질을 향상시키는 데에 큰 도움을 주며, 고위험군 심장질환자의 뇌졸중이나 갑작스러운 심장질환 사망의 위험성을 경감시켜준다. 따라서, 다양한 심장부정맥 상태를 적시에 실시간으로 검출하는 기술에 관한 요청이 있다.Automatic detection and classification of ECG patterns is very important in diagnosing and treating various cardiac arrhythmias. This is because arrhythmia is a serious threat to patients recovering from severe myocardial infarction. Automatic arrhythmia detectors help improve quality of life and reduce the risk of stroke or sudden death from heart disease in high-risk heart patients. Therefore, there is a request for a technology for detecting various cardiac arrhythmia conditions in a timely and real-time manner.
심장부정맥 검출 및 분류의 문제는 논문들에서 다양하게 논의되어 왔다. 뛰어난 정확도를 갖는 복잡한 분류 알고리즘은 고성능 프로세서로 비교적 용이하게 구현할 수 있다. 그러나, 그러한 기법은 고용량의 메모리와 시간을 잡아먹는 반복 연산을 필요로 한다. 따라서, 현존하는 기술은 (저성능 프로세서를 갖는) 이동식 기기나 휴대 기기에 적용될 수 없었다. 그러나, 스마트폰/이동식 기기 환경에서 분류 알고리즘을 실시간으로 구현하는 것은 원격의료 시나리오에서 부정맥을 조기 검출하기 위하여 필요한 사항이다. The problem of cardiac arrhythmia detection and classification has been discussed in various papers. Complex classification algorithms with excellent accuracy can be implemented relatively easily with a high-performance processor. However, such a technique requires a large amount of memory and time-consuming repetitive operations. Therefore, the existing technology could not be applied to mobile devices (with low performance processors) or portable devices. However, real-time implementation of a classification algorithm in a smart phone/mobile device environment is necessary to detect arrhythmia early in a telemedicine scenario.
감축된 계산량만으로도 심장부정맥을 분류할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다. A method and apparatus capable of classifying cardiac arrhythmias with only a reduced computational amount is provided.
일측면에 따른 심장부정맥 분류 방법은, 개인의 심장의 전기적인 활동을 나타내며 심전도 박동들을 포함하는 심전도 신호를, 일정 시구간 동안 수신하는 단계; 각각의 부정맥 클래스에 대응하는 자동 결합 뉴런 네트워크를 이용하여 심전도 박동의 각각에 대응하는 합성 박동들을 생성하는 단계; 합성 박동들 중에서 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단하는 단계; 및 심전도 박동에 실질적으로 부합하는 식별된 합성 박동에 기초하여 특정 유형의 심장부정맥에 대응하는 부정맥 클래스를 제공하는 단계;를 포함한다. According to an aspect, a method for classifying cardiac arrhythmia includes: receiving an electrocardiogram signal indicating electrical activity of an individual's heart and including electrocardiogram beats for a predetermined time period; Generating synthetic beats corresponding to each of the ECG beats using an auto-coupled neuron network corresponding to each arrhythmia class; Determining that a composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats substantially corresponds to each input ECG beat; And providing an arrhythmia class corresponding to a particular type of cardiac arrhythmia based on the identified synthetic beat that substantially matches the electrocardiogram beat.
이 때, 각각의 부정맥 클래스는 특정 유형의 심장 이상에 대응될 수 있다. In this case, each arrhythmia class may correspond to a specific type of cardiac abnormality.
또한, 심전도 신호의 심전도 박동들의 각각에 대하여 R-피크를 검출하는 단계; R-피크의 각각의 부근에서 심전도 신호의 심전도 박동들의 각각의 영역을 분할하는 단계; 및 심전도 신호의 심전도 박동들의 영역을 정규화하는 단계;를 더 포함할 수 있다. In addition, detecting an R-peak for each of the ECG beats of the ECG signal; Dividing each region of the ECG beats of the ECG signal in the vicinity of each of the R-peaks; And normalizing the regions of the ECG beats of the ECG signal.
또한, 심전도 박동들을 스플라인 보간을 이용하여 감축된 크기의 심전도 박동으로 압축하는 단계;를 더 포함할 수 있다. In addition, the step of compressing the ECG beats into ECG beats having a reduced size using spline interpolation; may further include.
이 때, 압축된 크기의 심전도 박동은 심전도 박동의 특정 형상을 포함할 수 있다. In this case, the compressed size of the ECG beat may include a specific shape of the ECG beat.
또한, 합성 박동들 중에서 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단하는 단계는, 심전도 박동과 각각의 부정맥 클래스에 대응하는 합성 박동들의 각각과의 오차제곱합 편차를 계산하는 단계; 및 합성 박동들 중 가장 작은 오차제곱 합 편차를 갖는 것을 식별하는 단계;를 더 포함할 수 있다. In addition, the step of determining that the composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats substantially corresponds to the input ECG beat is to determine the deviation of the sum of squared errors between the ECG beat and the composite beats corresponding to each arrhythmia class. Calculating; And identifying one of the composite beats having the smallest deviation of the sum of squares of errors.
다른 측면에 따른 부정맥 분류 장치는, 개인의 심장의 전기적인 활동을 나타내며 복수의 심전도 박동들을 포함하는 심전도 신호를, 획득 장치로부터 일정 시구간 동안 획득하는 통신 인터페이스; 통신 인터페이스와 연결된 프로세서; 프로세서와 연결된 메모리; 및 프로세서와 연결된 표시부;를 포함한다. An arrhythmia classification apparatus according to another aspect includes: a communication interface for acquiring an electrocardiogram signal representing an electrical activity of an individual's heart and including a plurality of electrocardiogram beats, from an acquisition device for a predetermined time period; A processor connected to the communication interface; Memory connected to the processor; And a display unit connected to the processor.
상기 메모리는, 입력 심전도 신호를 처리하는 박동 처리 모듈; 심전도 박동들의 각각에 대응하는 합성 박동을 생성하는 심장부정맥 클래스에 대응하는 자동 결합 뉴런 네트워크; 및 합성 박동들 중에서 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단하고, 심전도 박동에 실질적으로 부합하는 식별된 합성 박동에 기초하여 특정 유형의 심장부정맥에 대응하는 부정맥 클래스를 제공하는, 부정맥 분류 모듈;을 더 포함할 수 있다. The memory includes: a beat processing module processing an input ECG signal; An auto-coupled neuron network corresponding to a cardiac arrhythmia class that generates a composite beat corresponding to each of the ECG beats; And a synthetic beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the synthetic beats is determined to be substantially matched with each input ECG beat, and corresponding to a specific type of cardiac arrhythmia based on the identified synthetic beat that substantially matches the ECG beat. It may further include an arrhythmia classification module, which provides an arrhythmia class.
상기 박동 처리 모듈은, 심전도 신호의 각각의 심전도 박동에 관한 R-피크를 검출하는 R-피크 검출 모듈; R-피크의 각각의 부근에서 심전도 신호의 심전도 박동의 각각으로 영역을 분할하는 박동 분할 모듈; 및 심전도 신호의 심전도 박동들의 각각의 영역을 정규화하는 Z-스코어 정규화 모듈;을 더 포함할 수 있다. The beat processing module may include an R-peak detection module for detecting an R-peak of each ECG beat of an ECG signal; A beat dividing module for dividing regions into respective ECG beats of the ECG signal in the vicinity of each of the R-peaks; And a Z-score normalization module that normalizes each region of the ECG beats of the ECG signal.
박동 처리 모듈은, 심전도 박동들을 스플라인 보간을 이용하여 감축된 크기의 심전도 박동으로 압축하는 스플라인 보간 모듈;을 더 포함할 수 있다. 이 때, 압축된 크기의 심전도 박동은 심전도 박동의 특정 형상을 포함할 수 있다. The beat processing module may further include a spline interpolation module for compressing the ECG beats into an ECG beat of a reduced size using spline interpolation. In this case, the compressed size of the ECG beat may include a specific shape of the ECG beat.
합성 박동들 중에서 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단하기 위하여, 부정맥 분류 모듈은, 심전도 박동과 각각의 부정맥 클래스에 대응하는 합성 박동들의 각각과의 오차제곱합 편차를 계산하고, 합성 박동들 중 가장 작은 오차제곱 합 편차를 갖는 것을 식별할 수 있다. In order to determine that the composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats substantially corresponds to the input ECG beat, the arrhythmia classification module is the sum of the error squares between the ECG beat and the composite beats corresponding to each arrhythmia class. It is possible to calculate the deviation and identify which of the composite beats has the smallest deviation of the sum of squared errors.
또 다른 측면에 따른 시스템은, 일정 시구간 동안의 개인의 심장의 전기적인 활동을 나타내며 복수의 심전도 박동들을 포함하는 심전도 신호를, 수신하는 획득 장치; 심전도 박동에 실질적으로 부합하는 식별된 합성 박동에 기초하여 특정 유형의 심장부정맥에 대응하는 부정맥 클래스를 표시하는 전용 헬스 모니터링 장치; 및 부정맥 클래스들의 각각에 대응하는 자동 결합 뉴런 네트워크를 이용하여 심전도 박동의 각각에 대응하는 합성 박동을 생성하고, 합성 박동들 중 부정맥 클래스의 하나에 대응하는 합성 박동을 심전도 박동에 실질적으로 부합하는 것으로 판단하고, 심전도 박동에 실질적으로 부합하는 식별된 합성 박동에 기초하여 특정 유형의 심장부정맥에 대응하는 부정맥 클래스를 제공하는 서버;를 포함한다. A system according to another aspect includes: an acquisition device for receiving an electrocardiogram signal including a plurality of electrocardiogram beats representing electrical activity of an individual's heart for a predetermined time period; A dedicated health monitoring device that displays an arrhythmia class corresponding to a specific type of cardiac arrhythmia on the basis of the identified synthetic beat that substantially matches the electrocardiogram beat; And an automatic coupling neuron network corresponding to each of the arrhythmia classes to generate a composite beat corresponding to each of the ECG beats, and a composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats to substantially correspond to the ECG beat. And a server that determines and provides an arrhythmia class corresponding to a specific type of cardiac arrhythmia on the basis of the identified composite beat that substantially corresponds to the ECG beat.
서버는, 심전도 신호의 심전도 박동들의 각각에 대하여 R-피크를 검출하고, R-피크의 각각의 부근에서 심전도 신호의 심전도 박동들의 각각의 영역을 분할하고, 심전도 신호의 심전도 박동들의 영역을 정규화하는, 박동 처리 모듈;을 더 포함할 수 있다. The server detects the R-peak for each of the ECG beats of the ECG signal, divides each region of the ECG beats of the ECG signal in each vicinity of the R-peak, and normalizes the region of the ECG beats of the ECG signal. , A heartbeat processing module; may further include.
서버는, 심전도 박동들을 스플라인 보간을 이용하여 감축된 크기의 심전도 박동으로 압축하는 스플라인 보간 모듈;을 더 포함하며, 압축된 크기의 심전도 박동은 심전도 박동의 특정 형상을 포함할 수 있다. The server further includes a spline interpolation module for compressing the ECG beats into an ECG beat of a reduced size using spline interpolation, and the ECG beat of the compressed size may include a specific shape of the ECG beat.
서버가 합성 박동들 중에서 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단할 때에, 심전도 박동과 각각의 부정맥 클래스에 대응하는 합성 박동들의 각각과의 오차제곱합 편차를 계산하고, 합성 박동들 중 가장 작은 오차제곱 합 편차를 갖는 것을 식별할 수 있다. When the server determines that the composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats substantially matches the input ECG beat, the sum of the error square deviations between the ECG beat and the composite beats corresponding to each arrhythmia class are calculated. And, it is possible to identify the one having the smallest deviation of the sum of squared errors among the composite beats.
또 다른 측면에 따른 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장 매체는, 개인의 심장의 전기적인 활동을 나타내며 심전도 박동들을 포함하는 심전도 신호를, 일정 시구간 동안 수신하는 단계; 각각의 부정맥 클래스에 대응하는 자동 결합 뉴런 네트워크를 이용하여 심전도 박동의 각각에 대응하는 합성 박동들을 생성하는 단계; 합성 박동들 중에서 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단하는 단계; 및 심전도 박동에 실질적으로 부합하는 식별된 합성 박동에 기초하여 특정 유형의 심장부정맥에 대응하는 부정맥 클래스를 제공하는 단계;를 서버 내의 프로세서를 이용하여 수행하는 프로그램을 저장할 수 있다. According to another aspect, a computer-readable storage medium includes: receiving an electrocardiogram signal indicating electrical activity of an individual's heart and including electrocardiogram beats for a predetermined time period; Generating synthetic beats corresponding to each of the ECG beats using an auto-coupled neuron network corresponding to each arrhythmia class; Determining that a composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats substantially corresponds to each input ECG beat; And providing an arrhythmia class corresponding to a specific type of cardiac arrhythmia on the basis of the identified synthetic beats substantially corresponding to the electrocardiogram beats. It is possible to store a program performed by using a processor in the server.
R-피크를 검출할 때의 계산량을 감축함으로써 핸드헬드 기기 등에서도 빠르게 동작하는 심장부정맥 분류 방법 및 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다. By reducing the amount of calculation when detecting the R-peak, it is possible to implement a cardiac arrhythmia classification method and apparatus that operates quickly even in handheld devices.
도 1a는 헬스 모니터링 환경의 일례를 나타낸 블록도,
도 1b는 도 1a의 박동 처리 모듈을 더욱 자세히 나타낸 도면,
도 1c는 도 1a의 자동 결합 뉴런 네트워크를 더욱 자세히 나타낸 도면,
도 1d는 도 1a의 심장부정맥 분류 모듈을 더욱 자세히 나타낸 도면,
도 2는 자동 결합 뉴런 네트워크를 이용한 부정맥 분류 방법의 일례를 나타낸 흐름도,
도 3은 심전도 신호의 각각의 심전도 박동에서 R-피크를 검출하는 방법의 일례를 나타낸 흐름도,
도 4는 도 1a의 실시예를 구현하기 위한 다양한 구성요소를 나타낸 서버(16)를 예시한 블록도이다.1A is a block diagram showing an example of a health monitoring environment;
1B is a view showing in more detail the heartbeat processing module of FIG. 1A;
Figure 1c is a diagram showing in more detail the auto-coupled neuron network of Figure 1a;
1D is a diagram showing in more detail the cardiac arrhythmia classification module of FIG. 1A;
2 is a flow chart showing an example of an arrhythmia classification method using an auto-coupled neuron network;
3 is a flowchart showing an example of a method of detecting an R-peak in each ECG beat of an ECG signal;
4 is a block diagram illustrating a server 16 showing various components for implementing the embodiment of FIG. 1A.
자동 결합 뉴런 네트워크를 이용하여 심장부정맥을 분류하는 방법 및 장치가 제공된다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시를 위한 구체적인 예를 상세히 설명한다. 아래에서는 평균적인 기술자가 실시하기에 충분한 정도로 설명을 제공하고 있으며, 발명의 권리범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변형될 수도 있다. 아래의 설명은 발명의 범위를 제한하는 의도에서 제공되는 것이 아니며, 발명의 범위는 특허청구범위에 의해서만 정의된다.A method and apparatus for classifying cardiac arrhythmia using an auto-coupled neuron network are provided. Hereinafter, a specific example for implementation will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The description below is provided to a sufficient degree for an average technician to implement it, and various modifications may be made without departing from the scope of the invention. The description below is not intended to limit the scope of the invention, and the scope of the invention is defined only by the claims.
도 1a는 헬스 모니터링 환경의 일례를 나타낸 블록도이다. 도 1a에서 나타낸 바와 같이, 헬스 모니터링 환경은 헬스 모니터링 장치(102), 서버(106) 및 획득 장치(116)를 포함한다. 전용 헬스 모니터링 장치(102)는 서버(106)를 경유하여 무선으로 획득 장치(116)에 연결되는 전자 장치일 수 있다. 획득 장치(116)는 심장 질환을 겪고 있는 개인(예컨대 환자)의 신체 상에 배치된 1 또는 그 이상의 센서와 결합된 장치일 수 있다. 일 실시예에서, 전용 헬스 모니터링 장치(102)는 환자의 심장 활동을 모니터링하는 임무를 맡은 의사에게 제공될 수 있다. 예컨대, 전용 헬스 모니터링 장치(102)는 의사에 관한 스마트폰이나 태블릿PC가 될 수 있다. 다른 실시예에서, 전용 헬스 모니터링 장치(102)는 환자에 관한 간병인에게 제공될 수도 있다. 이 실시예에서, 전용 헬스 모니터링 장치(102)는 병원 당국이 지정한 간병인에게 제공되는 핸드헬드 장치가 될 수 있다. 서버(106)는 박동 처리 모듈(108), 자동 결합 뉴런 네트워크(110), 심장부정맥 분류 모듈(112) 및 자동 결합 뉴런 네트워크(110)에 연결된 가중치 데이터베이스(114)를 포함한다. 일 실시예에서, 서버(106)는 어떤 영역에 배치되고, 별도의 주체가 서버(106)를 모니터링하고 관리하도록 지정될 수도 있다. 별도의 주체는 병원이 될 수도 있고, 그 밖의 조직이 될 수도 있다. 1A is a block diagram showing an example of a health monitoring environment. As shown in FIG. 1A, the health monitoring environment includes a
예시적인 동작으로서, 획득 장치(116)는 주기적으로 개인의 신체 상에 배치된 센서들로부터 개인의 심장의 전기적 활동을 수집하여 심전도 신호를 생성한다. 그 후, 획득 장치(116)는 개인의 심장의 전기적 활동을 심전도 신호로서 서버(106)로 전달한다. 심전도 신호는 서버(106)의 박동 처리 모듈(108)에서 수신된다. 수신된 심전도 신호는 복수의 심전도 박동으로 이루어지며, 각각의 심전도 박동은 심장의 1 사이클에 대한 심장의 전기적 활동을 나타낸다. 박동 처리 모듈(108)은 개인의 전기적 활동을 나타내는 심전도 신호를 밴드패스필터(152)를 이용하여 필터링하여, 심전도 신호의 각각의 심전도 박동 내에서 R-피크(R-peak)를 검출한다. 박동 처리 모듈(108)은 또한 각각의 R-피크 주위로 각각의 심전도 박동의 영역을 분할하고 각각의 심전도 신호의 각각의 심전도 박동의 영역을 z-스코어 정규화(z-score normalization)를 이용하여 정규화한다. As an exemplary operation, the
서버(106)는 5개의 자동 결합 뉴런 네트워크(110(1), 110(2), 110(3), 110(4), 110(5))를 포함하여 이루어지며, 각각의 자동 결합 뉴런 네트워크는 서로 다른 심장부정맥 클래스에 대응된다. 박동 처리 모듈(108)의 출력은 서로 다른 심장부정맥 클래스에 대응되는 각각의 자동 결합 뉴런 네트워크(110)로 인가된다. 자동 결합 뉴런 네트워크(110)는 심전도 신호의 입력 심전도 박동을 수신하고, 각각의 부정맥 클래스에 대응되는 합성 박동을 생성하는데, 각각의 부정맥 클래스는 특정 유형의 심장부정맥에 대응된다.The
심장부정맥 분류 모듈(112)은 각각의 입력 심전도 박동에 실질적으로 대응되는 합성 박동 중 하나의 심장부정맥 클래스에 대응되는 합성 박동을 결정하며, 입력 심전도 박동에 실질적으로 대응되는 식별된 합성 박동에 기초하여 특정 유형의 심장부정맥에 대응되는 부정맥 클래스를 제공한다. The cardiac
가중치 데이터베이스(114)는 학습 단계(training phase) 동안에 자동 결합 뉴런 네트워크(110)의 가중치를 저장한다. 자동 결합 뉴런 네트워크(110)의 가중치들은 최소의 오류를 갖는 출력을 생성하기 위하여 필요한 값의 수치적 범위이다. 자동 결합 뉴런 네트워크(110)의 가중치들은 입력 레이어의 각각의 노드의 출력부에서 입력된 심전도 박동 값과 곱해지며, 자동 결합 뉴런 네트워크(110)의 히든 레이어(hidden layer)로 공급된다. 데이터베이스에서 가중치들을 저장하고 갱신하는 절차를 학습 단계라고 부른다.The
일 실시예에서, 처음에 가중치 데이터베이스(114)는 서로 다른 클래스의 심장부정맥에 속하는 다수의 심전도 박동들을 포함하여 이루어진다. 이들 심전도 박동이 각각 분류되면, 동일한 부정맥 클래스에 속하는 심전도 박동의 그룹이 얻어진다. 현재로서는 5개의 부정맥 클래스가 존재하므로, 다섯 그룹의 심전도 박동이 얻어지며, 각각의 그룹은 유사한 심전도 박동들을 포함한다. 처음에는 심전도 박동을 이들 다섯 개의 심장부정맥 클래스로 분류하기 위하여, 각각의 부정맥 클래스에 대응되는 자동 결합 뉴런 네트워크(110)의 가중치들이 계산되어 가중치 데이터베이스(114)에 저장된다. 예컨대, 동일 패턴의 클래스로부터의 입력 심전도 박동을 학습하는 중에, 자동 결합 뉴런 네트워크(110)의 가중치는 그 패컨의 클래스를 나타내도록 저장된다. 먼저, 자동 결합 뉴런 네트워크(110)의 입력 및 출력 레이어의 노드의 개수가 직접 자동 결합 뉴런 네트워크(110)로 입력된 심전도 박동들의 개수에 비례하도록 정해진다. 입력 심전도 박동이 자동 결합 뉴런 네트워크(110)의 입력 레이어에서 수신되면, 심전도 박동은 1 세트의 가중치들과 곱해지며, 곱한 결과의 합계가 다음 레이어(히든 레이어일 수 있다)의 입력으로 인가된다. 히든 레이어에서는, 활성화 함수(activation function)가 적용되어 입력된 심전도 박동과 유사한 출력이 얻어질 수 있다. In one embodiment, the
동일한 활성화 함수가 출력 레이어에도 적용됨으로써 입력된 박동과 유사한 출력 박동이 얻어진다. 일 실시예에서, 활성화 함수는 하이퍼볼릭 탄젠트 함수(Hyperbolic Tangent function)가 될 수 있다. 그러나, 그 밖의 함수도 활성화 함수로 적용할 수 있음은 평균적인 기술자에게 자명한 사항이다. 자동 결합 뉴런 네트워크(110)가 (합성 박동이라고 부르는) 출력 박동을 생성할 때, 입력 심전도 박동과 생성된 합성 박동 사이의 오차제곱합 편차(sum square error difference)가 계산된다. 이 오차제곱합 편차는 미리 설정된 임계값과 비교된다. 만약 오차제곱합 편차가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우에는 자동 결합 뉴런 네트워크(110)의 가중치가 합성 박동을 얻기 위하여 입력된 심전도 박동에 더욱 유사한 새로운 값으로 설정된다. 이제 자동 결합 뉴런 네트워크(110)는 다시 신규 가중치 값을 가지고 동일한 입력 심전도 박동에 대한 신규 합성 박동을 생성한다. 이 합성 박동에 대한 오차제곱합 편차는 다시 계산된 후 미리 설정된 임계값과 비교된다. 반복이 계속될 수록, 오차제곱합 편차는 감소하며, 이에 따라 학습 및 더욱 최적화된 가중치가 보장된다. 이와 같이, 특정 부정맥 클래스의 자동 결합 뉴런 네트워크에 대한 최적화된 가중치값을 갖는 가중치 데이터베이스(114)가 생성된다. 이것은 반복적 방법으로서, 수 회의 반복을 통하여 가중치 변경이 안정화될 수 있다. The same activation function is applied to the output layer to obtain an output beat similar to the input beat. In one embodiment, the activation function may be a Hyperbolic Tangent function. However, it is obvious to the average engineer that other functions can also be applied as activation functions. When the auto-coupled
도 1b는 도 1a의 박동 처리 모듈을 더욱 자세히 나타낸 도면이다. 도 1b에 나타낸 바와 같이, 박동 처리 모듈(108)은 밴드패스필터(152), R-피크 검출 모듈(154), 박동 분할 모듈(156), z-스코어 정규화 모듈(158) 및 스플라인 보간 모듈(160)을 포함한다. FIG. 1B is a diagram illustrating the heartbeat processing module of FIG. 1A in more detail. 1B, the
밴드패스필터(152)는 하이패스필터 및 로우패스필터를 이용하여 개인의 심장의 전기적 활동을 나타내는 획득된 심전도 신호를 필터링한다. R-피크 검출 모듈(154)은 심전도 신호 내의 각각의 심전도 박동에 대응되는 R-피크의 위치를 검출한다. 박동 분할 모듈(156)은 검출된 R-피크들에 기초하여 심전도 박동의 영역을 분할한다. Z-스코어 정규화 모듈(158)은 z-스코어 정규화를 이용하여 심전도 신호의 심전도 박동을 정규화하여 평균이 0이 되고 분산이 1이 되도록 한다. The
이 때, x, xnorm, μ 및 σ는 각각 원래 신호, 정규화된 신호, 평균 및 분산을 의미한다. In this case, x, x norm , μ and σ denote the original signal, the normalized signal, the average and the variance, respectively.
스플라인 보간 모듈(160)은 감축된 크기의 심전도 박동이 심전도 박동의 특정 형상을 포함하도록 심전도 박동들을 감축된 크기의 심전도 박동으로 압축한다. 스플라인(spline)은, 충분히 매끄러운 다항 함수(sufficiently smooth polynomial function)로서, 구간 연속적으로 정의되고, 다항 함수의 구간들이 연결되는 지점("노트(knot)"라고 불리우는 지점)에서 고차의 매끄러움을 갖는 함수를 말한다. 스플라인 보간 다항식은 쿼리에 기초하여 정확한 샘플 지점을 재생산한다. 스플라인 보간 모듈(160)은 심전도 신호의 형상을 포착하기 위하여 심전도 박동 내에서 노트를 발견한다. 심전도 박동이 스플라인 보간 모듈(160)에서 수신되면, 스플라인 보간 모듈(160)은 가장 중요한 지점을 신호의 서브 디비전(sub division) 내에서 선택하고, 심전도 박동의 특정 형상을 포함하는 감축된 크기로 압축된 심전도 박동을 생성한다. The
도 1c는 도 1a의 자동 결합 뉴런 네트워크를 더욱 자세히 나타낸 도면이다. 도 1c에서 나타낸 바와 같이, 자동 결합 뉴런 네트워크(110)는 입력 레이어, 입력 레이어와 동일한 차원의 출력 레이어 및 1 또는 그 이상의 히든 레이어를 포함한다. 1C is a more detailed diagram of the auto-coupled neuron network of FIG. 1A. As shown in FIG. 1C, the auto-coupled
자동 결합 뉴런 네트워크(110)는 아이덴티티 매핑(identity mapping)을 수행하는 피드 포워드(feed forward) 뉴런 네트워크 모델이다. 즉, 자동 결합 뉴런 네트워크(110)는 학습 데이터를, 특정 네트워크 아키텍처를 통하여, 그 자신에게 매핑한다. 자동 결합 뉴런 네트워크(110)는 출력 레이어에서 최소의 오류를 갖도록 입력 심전도 박동의 각각에 대하여 합성 박동을 생성한다. 다섯 개의 자동 결합 뉴런 네트워크(110(1), 110(2), 110(3), 110(4), 110(5))마다 심장부정맥 클래스가 각각 대응된다. 32개의 샘플을 포함하는 압축된 심전도 박동이 자동 결합 뉴런 네트워크(110)에서 수신되면, 심전도 박동의 32개 샘플에 관한 자동 결합 뉴런 네트워크의 구조는 32L-20NL-20L-20NL-32L이 되며, 이 때 NL은 하이퍼볼릭 탄젠트 활성화 함수와 같은 불연속성(non-linearity)을 의미하고, L은 학습 박동의 완전한 길이를 수용하는 연속적인 노드들(linear nodes)을 의미한다. The auto-coupled
자동 결합 뉴런 네트워크(110)는 가중치 데이터베이스(114)에 저장된 1 세트의 최적화된 가중치들을 포함한다. 자동 결합 뉴런 네트워크(110)는 입력 레이어, 입력 레이어에 뒤따르는 불연속 히든 레이어(병목 레이어(bottleneck layer), 제2 불연속 히든 레이어 및 입력 레이어와 동일한 차원의 출력 레이어를 포함한다. 자동 결합 뉴런 네트워크(110)는 2개의 독립적인 3 레이어 뉴런 네트워크가 직렬로 연결된, 5개의 레이어를 갖는 피드 포워드 네트워크로 보여질 수 있다. 제1 네트워크는 n개의 여분의 측정값을 몇 개의 특성 변수(characteristics variables)로 혼합하여 압축하는데, 특성 변수는 이상적으로는 입력의 필수 특성(essential characteristics)을 나타내어야 한다. 제2 네트워크는 제1 네트워크와 정반대로 동작하는데, 압축된 정보를 이용하여 원래의 n개의 여분의 측정값을 재생성(압축해제)한다. The auto-coupled
자동 결합 뉴런 네트워크(110)는 데이터베이스의 학습을 위하여 다양한 기법을 활용할 수 있다. 일 실시예에서, 변별적 학습(discriminative training) 기법을 적용하여 자동 결합 뉴런 네트워크(110)를 학습할 수 있다. 변별적 학습에서는, 입력 데이터가 타겟 클래스를 위한 입력 레이어와 출력 레이어에 모두 입력으로서 인가된다. 그러나, 변별성(discrimination)을 얻기 위하여, 반대 클래스(anti class)에는 입력 데이터가 반전되어 출력측에 제시된다. 동일한 심전도 박동이 타겟 클래스에 대해서 자동 결합 뉴런 네트워크(110)의 입력 스테이지와 출력 스테이지에 모두 인가되면, 두 입력 박동 사이의 자기상관계수(auto correlation)은 최대(즉, "+1")가 되며, 입력된 박동들은 완벽하게 서로 정렬된다. 반면, 반대 클래스에 대해서는, 복제된 입력이 반전되어 자동 결합 뉴런 네트워크(110)의 출력 레이어에 인가됨으로써, 입력 레이어와 출력 레이어 사이에는 180도의 위상 차가 발생하게 된다. 따라서, 학습 데이터베이스가 특정 부정맥 클래스에 대응되는 비슷한 심전도 박동의 각각에 대하여 생성된다. The auto-coupled
도 1d는 도 1a의 심장부정맥 분류 모듈을 더욱 자세히 나타낸 도면이다. 도 1d에서 나타낸 바와 같이, 심장부정맥 분류 모듈(112)은 오차제곱합 편차 계산 모듈(252), 합성 박동 식별 모듈(254) 및 출력 모듈(256)을 포함한다. FIG. 1D is a more detailed view of the cardiac arrhythmia classification module of FIG. 1A. As shown in FIG. 1D, the cardiac
오차제곱합 편차 계산 모듈(252)은 입력 심전도 박동에 대한 오차제곱합 값을 계산한다. 부정맥 클래스에 대응되는 자동 결합 뉴런 네트워크의 출력(즉, 합성 박동)은 오차제곱합 편차 계산 모듈(252)이 수신한다. 오차제곱합 편차 계산 모듈(252)은 입력 심전도 박동과 합성 박동 사이의 유사도를 오차제곱합 값을 이용하여 계산한다. 오차제곱합 값은 입력 심전도 박동과 그에 대한 각각의 합성 박동 사이의 편차의 제곱을 더한 값이다. The error sum-of-squares
이 때, D는 오차제곱합 값이다. D 값이 낮을수록, 유사도는 높아진다. In this case, D is the sum of squares of errors. The lower the D value, the higher the similarity.
심전도 박동의 학습 단계 중에, 입력된 합성 박동의 오차제곱합 편차는 미리 설정된 임계값과 비교된다. 만약 합성 박동의 오차제곱합 편차가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우에는 부정맥 분류 모듈(112)은 입력 심전도 박동을 분류되지 않은 박동으로 선택하고, 그 심전도 박동을 "분류되지 않은 심전도 박동 데이터베이스"라고 부르는 신규 학습 데이터베이스의 신규 클래스로 갱신한다. 만약 합성 박동의 오차제곱합 편차가 미리 설정된 임계값보다 작은 경우에는, 부정맥 분류 모듈(112)은 미리 설정된 임계값보다 작은 오차제곱합 편차를 갖는 그 합성 박동에 대응되는 부정맥 클래스를 심전도 박동에 적용한다. 임계값이 낮을수록, 학습 세트와 데이터베이스 중 어디에도 제시되지 않는 정보를 갖는 신규 클래스가 존재할 가능성이 있음을 더 고려하여야 한다. During the learning phase of the ECG beat, the deviation of the sum of squared errors of the inputted composite beat is compared with a preset threshold. If the deviation of the sum of squared errors of the composite beat is greater than a preset threshold, the
합성 박동 식별 모듈(254)은 오차제곱합 편차를 이용하여 입력 심전도 박동에 실질적으로 대응되는 합성 박동을 식별한다. 합성 박동 식별 모듈(254)은 부정맥 클래스에 대응되는 각각의 자동 결합 뉴런 네트워크에서 생성된 각각의 합성 박동의 오차제곱합 편차(D)를 비교하여, 합성 박동들 중 가장 작은 D 값을 갖는 합성 박동이 어느 것인지를 판단한다. 또한, 합성 박동 식별 모듈(254)은 가장 작은 D값을 갖는 합성 박동을 출력 모듈(256)을 통하여 출력한다. The composite
출력 모듈(256)은 심전도 박동에 실질적으로 대응되는 식별된 합성 박동에 기초하여 특정 유형의 심장부정맥에 대응되는 부정맥 클래스를 제공한다. 출력 모듈(256)은 가장 작은 D 값을 갖는 합성 박동을 합성 박동 식별 모듈(254)로부터 수신하여, 특정 유형의 심장부정맥에 대응되는 식별된 합성 박동에 관한 부정맥 클래스를 결정한다. 그 후, 출력 모듈(256)은 결정된 부정맥 클래스를 입력 심전도 박동이 속하는 클래스로서 제공한다. 전용 헬스 모니터링 장치(102)의 표시부(104)는 개인에 관한 심장부정맥의 유형을 나타내는 부정맥 클래스를 표시한다. The
도 2는 자동 결합 뉴런 네트워크를 이용한 부정맥 분류 방법의 일례를 나타낸 흐름도이다. 일례로서, 도 2의 방법은 도 1a의 서버(106)에 의하여 수행될 수 있다. 2 is a flowchart illustrating an example of a method for classifying arrhythmia using an auto-coupled neuron network. As an example, the method of FIG. 2 may be performed by the
단계(202)에서, 심전도 신호는 획득 장치(116)로부터 일정 시간구간 동안 얻어진 개인의 심장의 전기적 활동을 나타낸다. 심전도 신호는 복수의 심전도 박동을 포함하여 이루어진다. 단계(204)에서, 개인의 심장의 전기적 활동을 나타내는 획득된 심전도 신호가 필터링된다. 실시예에 따라서는, 획득된 심전도 신호는 컷오프 주파수 0.5Hz 및 40Hz를 갖는 밴드패스필터를 이용하여 필터링될 수 있다. 예컨대, 심전도 신호는 0.5Hz의 컷오프 주파수를 갖는 하이패스필터와 40Hz의 컷오프 주파수를 갖는 로우패스필터를 이용하여 필터링될 수 있다. 단계(206)에서, 심전도 신호 내의 각각의 심전도 박동에 대응되는 R-피크가 검출된다. 각각의 심전도 박동에 대응되는 R-피크를 검출하는 프로세스는 도 3을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. In
단계(208)에서, 각각의 심전도 박동의 영역이 각각의 심전도 박동의 검출된 R-피크 근처로 분할된다. 각각의 심전도 박동의 영역은 검출된 R-피크 영역 근처에서 전방 및 후방으로 이동하면서 분할된다. 단계(210)에서, 각각의 심전도 박동의 분할된 영역은 z-스코어 정규화 모듈(158)을 이용하여, 평균은 0이 되고, 분산은 1이 되도록 정규화된다. 단계(212)에서, 정규화된 심전도 박동은 스플라인 보간 모듈(160)을 이용하여 감축된 크기의 심전도 박동으로 압축된다. 일 실시예에서, 351개의 샘플을 포함하는 심전도 박동은 스플라인 보간 모듈(160)을 이용하여 (32개의 차원에 대한) 32개의 샘플로 감축된다. In
단계(214)에서, (32개의 샘플에 대한) 압축된 심전도 박동은 각각의 부정맥 클래스에 대응되는 자동 결합 뉴런 네트워크로 입력된다. 일 실시예에서, 부정맥 클래스들은 노멀(N: Normal), 좌각차단(LBBB: Left Bundle Branch Block), 우각차단(RBBB: Right Bundle Branch Block), 조기심실수축(PVC: Premature Ventricular Contraction) 및 조기심방수축(APC: Atrial Premature Contraction)이 될 수 있다. 그러한 경우, 5종의 자동 결합 뉴런 네트워크, 즉 자동 결합 뉴런 네트워크(N), 자동 결합 뉴런 네트워크(LBBB), 자동 결합 뉴런 네트워크(RBBB), 자동 결합 뉴런 네트워크(PVC) 및 자동 결합 뉴런 네트워크(APC)가 존재할 수 있다. 따라서, 압축된 심전도 박동은 각각의 부정맥 클래스에 대응되는 이들 5종의 자동 결합 뉴런 네트워크 전부로 입력된다. In
단계(216)에서, 각각의 압축된 심전도 박동에 대응되는 합성 박동이 각각의 부정맥 클래스에 대응되는 각각의 자동 결합 뉴런 네트워크에서 생성된다. 일 실시예에서, 각각의 압축된 심전도 박동의 입력마다 5종의 자동 결합 뉴런 네트워크(11)에 대한 5종의 합성 박동이 생성된다. 단계(218)에서, 입력된 압축 심전도 박동과 각각의 부정맥 클래스에 대응되는 각각의 합성 박동과의 오차제곱합 편차가 계산된다. 예컨대, 5종의 합성 박동의 각각과 입력된 압축 심전도 박동에 대한 오차제곱합 편차("D")가 계산된다. 따라서, 각각의 부정맥 클래스마다 자동 결합 뉴런 네트워크(110)에 대응되는 5종의 D 값을 얻게 된다. 단계(220)에서, 가장 작은 D 값, 즉 가장 작은 오차제곱합 편차를 갖는 합성 박동이 식별된다. 예컨대, 자동 결합 뉴런 네트워크(110)의 각각에 대응되는 5종의 D값 중에는 다른 모든 D 값들보다 작은 D 값이 존재한다. 간단하게, 자동 결합 뉴런 네트워크마다 계산된 D 값이 각각 자동 결합 뉴런 네트워크(N)에서는 2, 자동 결합 뉴런 네트워크(LBBB)에서는 3, 자동 결합 뉴런 네트워크(RBBB)에서는 4, 자동 결합 뉴런 네트워크(PVC)에서는 5, 자동 결합 뉴런 네트워크(APC)에서는 5.5가 될 수 있다. 그러면, 가장 작은 D 값은, 자동 결합 뉴런 네트워크(N)에 대응되는 D값이 된다. 단계(222)에서, 가장 작은 D 값을 갖는 것으로 식별된 합성 박동에 관한 부정맥 클래스가 입력 심전도 박동이 속하는 클래스로서 사용자에게 제공된다.
In
도 3은 심전도 신호의 각각의 심전도 박동에서 R-피크를 검출하는 방법의 일례를 나타낸 흐름도이다. 단계(302)에서, 개인의 심장의 전기적 활동을 나타내는 필터링된 심전도 신호가 윈도우된다. 필터링된 심전도 신호가 x0[n]으로 표시되고, 심전도 신호가 Fs[Hz]의 샘플링 주파수로 샘플링되는 경우를 고려할 수 있다. 적응형 임계값(adaptive threshold)을 결정하기 위해서, 윈도우 크기는 T=2초로 선택되며, T 값은 수용 가능한 가장 느린 심박수가 분당 30회(30 BPM: 30 Beats Per Minute), 즉 2초에 1회라는 추정에 기초한다. 또한, R-피크의 일부만이 윈도우에 포착되는 경우를 설명하기 위하여, 인접한 윈도우들이 T0만큼(즉, 0.61초만큼) 그 윈도우에 겹쳐진다. 3 is a flowchart showing an example of a method of detecting an R-peak in each ECG beat of an ECG signal. In
단계(304)에서, 적응형 임계값(Th)이 윈도우에서의 절대 편차 신호(absolute difference signal)에 기초하여 계산된다. 절대 편차 신호는 심전도 신호들 사이에서 계산된 편차의 절대값을 나타낸다. 실시예에 따라서는, 필터링된 심전도 신호(x0[n])는 절대 미분기(absolute differentiator component)(도면에 나타내지 않음)를 경유하며, 절대 미분 컴포넌트는 평균 필터(averaging filter) 및 하이패스필터의 결합으로서 다음과 같은 x1[n]을 얻는다. In
또한, 적응형 임계값(Th)은 다음과 같이 계산된다. In addition, the adaptive threshold Th is calculated as follows.
이 때, τ는 임계값(threshold value)을 의미한다. In this case, τ means a threshold value.
필터링된 심전도 신호의 z-변환(z-transform)은 다음과 같이 이루어진다. The z-transformation of the filtered ECG signal is performed as follows.
이 때, x0(z) 및 x1(z)는 원래 심전도 신호 및 필터링된 심전도 신호의 z-변환된 형태이다. 이것은 다음과 같은 두 개의 필터를 이용하여 구현될 수 있다. In this case, x 0 (z) and x 1 (z) are z-transformed forms of the original ECG signal and the filtered ECG signal. This can be implemented using the following two filters.
또한, 스케일된 평균 필터(scaled averaging filter)는 다음과 같다. In addition, the scaled averaging filter is as follows.
또한, 하이패스필터는 다음과 같다. In addition, the high pass filter is as follows.
절대 미분기는 윈도우로 분할된 심전도 신호에 대한 두 개의 윈도우 사이의 기울기를 계산한다. 이는 중간 분산(intermediate variance)의 영향을 감소시키는 데에 기여한다. 기울기의 크기는 R-피크를 배치하기 위하여 필요하드는 점 때문에, 적응형 임계값은 절대 미분 값(absolute differentiated value)을 이용하여 계산된다는 점을 주목하여야 한다. The absolute differentiator calculates the slope between the two windows for the ECG signal divided by the window. This contributes to reducing the effect of intermediate variance. It should be noted that since the magnitude of the slope is necessary to arrange the R-peak, the adaptive threshold is calculated using an absolute differentiated value.
단계(306)에서, 심전도 신호의 윈도우 부분 내의 기준 피크에 대한 탐색이 적응형 임계값(Th)에 기초하여 수행된다. 실시예에 따라서는 적응형 임계값(Th)은 R-피크의 기울기가 실질적으로 곡선(P)의 기울기나 곡선(T)의 기울기보다 크기 때문에 각각의 심전도 박동에서 P나 T와 같은 기준 피크를 제거하는 데에 기여한다. 따라서, 곡선의 기울기가 적응형 임계값보다 크다는 것은 R-피크가 심전도 신호의 윈도우 영역 내에 존재함을 가리킨다. In
단계(308)에서, 심전도 신호의 윈도우 영역 내에서 거짓 피크가 제거된다. 윈도우 겹침으로 인하여 동일한 피크가 중복적으로 검출되거나 피크가 윈도우의 경계에 걸쳐질 수가 있으며, 그 결과 피크의 위치가 R-피크의 실제 최대값이 아니라 윈도우 내에서의 최대값에 대응될 수 있다. 이러한 거짓 검출을 피하기 위하여, 연속한 두 개의 피크의 위치가 계산된다. 만약 연속한 두 개의 피크 사이의 거리가 미리 정의된 값(즉, "SKIP_WINDOW")보다 작으면, 최소 진폭(minimum amplitude)의 위치는 버려지고, 최대 진폭(maximum amplitude)의 위치가 R-피크인 것으로 선언된다. In
단계(310)에서, 심전도 신호의 심전도 박동 내에서의 R-피크의 위치가 윈도우 영역 내에서 검출된다. 심전도 신호의 각각의 윈도우 영역 내에서 R-피크를 검출하기 위하여, x1[n]의 값이 적응형 임계값(Th)과 교차하는 지점마다 샘플들이 기준으로서 표시된다. 그 후, 피크의 최대값이 심전도 신호의 각각의 윈도우 영역 내에서 기준으로 표시된 샘플위치로부터 시작하여 심전도 신호(x0[n])의 최대 탐색 윈도우(MAX_SR_WINDOW = 0.2초) 내에서 탐색된다. 효과적으로, 최대값은, 심전도 신호의 각각의 윈도우 영역 내에서 QRS 복합체 (QRS complex)의 기준 R-피크를 나타낸다. 일단 R-피크가 검출되면, 더 이상의 QRS 복합체는 수용 가능한 특정 시간 프레임(즉, SKIP_WIN = 0.25초) 내에 존재하지 않을 것이므로, 수용 가능한 그 시간 프레임 내에 존재하는 그 밖의 기준으로 표시된 샘플들은 버려진다. 이러한 절차를 통하여 R-피크를 탐색할 때의 계산량은 수용 가능한 시간 프레임 내에서 기준으로 표시된 샘플들을 버림으로써 획기적으로 감축된다. In
도 4는 도 1a의 실시예를 구현하기 위한 다양한 구성요소를 나타낸 서버(16)를 예시한 블록도이다. 도 4에서 나타낸 바와 같이, 서버(106)는 프로세서(402), 메모리(410), 저장부(404), 통신 인터페이스(406), 버스(408), 표시부(104) 및 입력 장치(412)를 포함한다. 4 is a block diagram illustrating a server 16 showing various components for implementing the embodiment of FIG. 1A. As shown in Fig. 4, the
여기에서 사용되는 프로세서(402)는 마이크로프로세서, 마이크로콘트롤러, CISC(complex instruction set computing) 마이크로프로세서, RISC(reduced instruction set computing) 마이크로프로세서, VLIW(very long instruction word) 마이크로프로세서, EPIC(explicitly parallel instruction computing) 마이크로프로세서, 그래픽 프로세서, 디지털 신호 처리 프로세서, 그 밖의 어떠한 유형의 연산 회로도 적용할 수 있으며, 특정 프로세서로 한정되지 않는다. 또한, 프로세서(402)는 제네릭 로직 디바이스나 프로그래머블 로직 디바이스, 어레이, ASIC(application specific integrated circuit), 단일칩 컴퓨터(single-chip computer), 스마트카드 및 그 밖의 임베디드 콘트롤러를 포함할 수도 있다. The
메모리(410)는 휘발성 메모리일 수도 있고 비휘발성 메모리일 수도 있다. 도 1a 내지 도 3에서 설명한 실시예들에 따르면, 메모리(410)는 심전도 신호의 심전도 박동을 처리하는 박동 처리 모듈(108), 입력 심전도 박동에 관한 합성 박동을 생성하는 자동 결합 뉴런 네트워크(110) 및 자동 결합 뉴런 네트워크를 이용하여 심장부정맥을 분료하기 위한 부정맥 분류 모듈(112)을 포함한다. The
저장부(404)는 복수의 부정맥 클래스에 대응되는 심전도 박동에 관한 학습된 가중치들을 저장하는 가중치 데이터베이스(114)를 포함한다. The
메모리(410)와 저장부(404)는 데이터 및 기계적으로 판독 가능한 명령어(machine-readable instructions)를 저장하기에 적절한 메모리 장치, 예컨대 ROM, RAM, EPROM, EEPROM, 하드드라이브, 기록 가능한 CD, DVD, 디스켓, 자기 테이프 카트리지, 메모리 카드, 메모리 스틱 등을 포함할 수 있다. The
실시예들은 기능, 절차, 데이터 구조 및 애플리케이션 프로그램을 포함하는 모듈로서 구현되어, 태스크를 수행하거나 추상적인 데이터 타입 또는 로우레벨 하드웨어 컨텍스트를 정의할 수 있다. 자동 결합 뉴런 네트워크(110)는 기계적으로 판독 가능한 명령어의 형태로 위에서 설명한 저장 매체에 저장될 수 있으며, 프로세서(402)에 의하여 실행될 수 있다. 예컨대, 컴퓨터 프로그램이 명세서에서 언급된 실시예가 시사하는 바에 따라 획득 장치(116)로부터 획득된 심전도 신호를 이용하여 심장부정맥을 분류할 수 있는 기계적으로 판독 가능한 명령어들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 프로그램은 CD-ROM 상에 포함된 후 CD-ROM으로부터 하드 드라이브로 로딩되어 비휘발성 메모리에 저장될 수 있다. Embodiments are implemented as modules that include functions, procedures, data structures, and application programs to perform tasks or define abstract data types or low-level hardware contexts. The auto-coupled
통신 인터페이스(406)는 획득 장치(116)로부터 개인의 심장의 전기적 활동을 나타내는 심전도 신호를 수신한다. 표시부(104)는 심전도 신호에 기초하여 분류된 개인의 부정맥의 유형을 나타내는 부정맥 클래스를 표시한다. 버스(408)는 전용 헬스 모니터링 장치(102)의 다양한 구성요소를 서로 연결한다. 입력 장치(412)와 같은 구성요소는 평균적인 기술자에게 자명한 사항이므로 구체적인 설명을 생략한다. The
특정 실시예를 참조하여 설명을 기술하였으나, 다양한 실시예에 나타난 개념과 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형과 변경이 가능함은 자명하다. 또한, 다양한 장치, 모듈 등은 CMOS 기반 논리회로 등의 하드웨어나, 펌웨어, 소프트웨어를 이용하여 구현되고 실행되거나, 하드웨어, 펌웨어 및/또는 소프트웨어의 조합을 이용하여 구현되고 실행될 수 있다. 예컨대, 다양한 전기적 구조와 방법이 트랜지스터, 논리회로 및 전기 회로를 이용하여 ASIC(application specific integrated circuit) 등의 형태로 구현될 수 있다. Although the description has been described with reference to specific embodiments, it is obvious that various modifications and changes can be made without departing from the concept and scope shown in the various embodiments. In addition, various devices, modules, etc. may be implemented and executed using hardware such as CMOS-based logic circuits, firmware, and software, or may be implemented and executed using a combination of hardware, firmware, and/or software. For example, various electrical structures and methods may be implemented in the form of an application specific integrated circuit (ASIC) using transistors, logic circuits, and electric circuits.
Claims (16)
각각의 부정맥 클래스에 대응하는 자동 결합 뉴런 네트워크를 이용하여 상기 심전도 박동의 각각에 대응하는 합성 박동들을 생성하는 단계;
상기 합성 박동들 중에서 상기 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단하는 단계; 및
상기 심전도 박동에 실질적으로 부합하는 식별된 합성 박동에 기초하여 상기 유형의 심장부정맥에 대응하는 상기 부정맥 클래스를 제공하는 단계;
상기 심전도 신호의 상기 심전도 박동들의 각각에 대하여 R-피크를 검출하는 단계;
상기 R-피크의 각각의 부근에서 상기 심전도 신호의 상기 심전도 박동들의 각각의 영역을 분할하는 단계; 및
상기 심전도 신호의 상기 심전도 박동들의 상기 영역을 정규화하는 단계;를 포함하며,
상기 각각의 부정맥 클래스는 특정 유형의 심장 이상에 대응되는, 자동 결합 뉴런 네트워크를 이용한 심장부정맥 분류 방법.Receiving an electrocardiogram signal representing the electrical activity of an individual's heart and including electrocardiogram beats for a predetermined period of time;
Generating synthetic beats corresponding to each of the ECG beats using an auto-coupled neuron network corresponding to each arrhythmia class;
Determining that a composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats substantially corresponds to each input ECG beat; And
Providing the arrhythmia class corresponding to the type of cardiac arrhythmia based on the identified synthetic beat that substantially matches the electrocardiogram beat;
Detecting an R-peak for each of the ECG beats of the ECG signal;
Dividing each region of the electrocardiogram beats of the electrocardiogram signal in the vicinity of each of the R-peaks; And
Normalizing the region of the ECG beats of the ECG signal; includes,
Each of the arrhythmia classes corresponds to a specific type of cardiac abnormality, a cardiac arrhythmia classification method using an automatically coupled neuron network.
상기 심전도 박동들을 스플라인 보간을 이용하여 감축된 크기의 심전도 박동으로 압축하는 단계;를 더 포함하며,
상기 압축된 크기의 심전도 박동은 상기 심전도 박동의 특정 형상을 포함하는, 자동 결합 뉴런 네트워크를 이용한 심장부정맥 분류 방법.The method of claim 1,
Compressing the ECG beats into ECG beats of a reduced size using spline interpolation; further comprising,
The ECG beat of the compressed size includes a specific shape of the ECG beat, a cardiac arrhythmia classification method using an automatically coupled neuron network.
상기 합성 박동들 중에서 상기 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단하는 단계는,
상기 심전도 박동과 상기 각각의 부정맥 클래스에 대응하는 상기 합성 박동들의 각각과의 오차제곱합 편차를 계산하는 단계; 및
상기 합성 박동들 중 가장 작은 오차제곱 합 편차를 갖는 것을 식별하는 단계;를 더 포함하는, 자동 결합 뉴런 네트워크를 이용한 심장부정맥 분류 방법.The method of claim 3,
The step of determining that the composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats substantially matches each input ECG beat,
Calculating a deviation of the sum of squares of errors between the ECG beat and each of the composite beats corresponding to the respective arrhythmia class; And
Identifying the one having the smallest deviation of the sum of squared errors among the synthesized beats; further comprising, cardiac arrhythmia classification method using an automatic coupling neuron network.
상기 통신 인터페이스와 연결된 프로세서;
상기 프로세서와 연결된 메모리; 및
상기 프로세서와 연결된 표시부;를 포함하며,
상기 메모리는,
입력 심전도 신호를 처리하는 박동 처리 모듈;
상기 심전도 박동들의 각각에 대응하는 합성 박동을 생성하는 심장의 부정맥 클래스에 대응하는 자동 결합 뉴런 네트워크; 및
상기 합성 박동들 중에서 상기 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단하고, 상기 심전도 박동에 실질적으로 부합하는 식별된 합성 박동에 기초하여 특정 유형의 심장부정맥에 대응하는 상기 부정맥 클래스를 제공하는, 부정맥 분류 모듈;을 더 포함하고,
상기 박동 처리 모듈은,
상기 심전도 신호의 각각의 상기 심전도 박동에 관한 R-피크를 검출하는 R-피크 검출 모듈;
상기 R-피크의 각각의 부근에서 상기 심전도 신호의 상기 심전도 박동의 각각으로 영역을 분할하는 박동 분할 모듈; 및
상기 심전도 신호의 상기 심전도 박동들의 각각의 상기 영역을 정규화하는 Z-스코어 정규화 모듈;을 더 포함하는 장치.A communication interface for obtaining an electrocardiogram signal including a plurality of electrocardiogram beats representing an electrical activity of an individual's heart, from an acquisition device for a predetermined time period;
A processor connected to the communication interface;
A memory connected to the processor; And
Includes; a display unit connected to the processor,
The memory,
A beat processing module that processes an input ECG signal;
An auto-coupled neuron network corresponding to an arrhythmia class of the heart that generates a composite beat corresponding to each of the ECG beats; And
Among the composite beats, a composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes is determined to be substantially matched with each input ECG beat, and a specific type of cardiac arrhythmia is determined based on the identified composite beat substantially corresponding to the ECG beat. Further comprising an arrhythmia classification module, which provides the corresponding arrhythmia class,
The heartbeat processing module,
An R-peak detection module for detecting an R-peak of each of the ECG beats of the ECG signal;
A beat division module for dividing a region into each of the ECG beats of the ECG signal in the vicinity of each of the R-peaks; And
The apparatus further comprises a Z-score normalization module for normalizing the region of each of the ECG beats of the ECG signal.
상기 박동 처리 모듈은,
상기 심전도 박동들을 스플라인 보간을 이용하여 감축된 크기의 심전도 박동으로 압축하는 스플라인 보간 모듈;을 더 포함하며,
상기 압축된 크기의 심전도 박동은 상기 심전도 박동의 특정 형상을 포함하는 장치.The method of claim 5,
The heartbeat processing module,
A spline interpolation module for compressing the ECG beats into an ECG beat of a reduced size using spline interpolation; further comprising,
The electrocardiogram beat of the compressed size includes a specific shape of the electrocardiogram beat.
상기 합성 박동들 중에서 상기 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단하기 위하여, 상기 부정맥 분류 모듈은,
상기 심전도 박동과 상기 각각의 부정맥 클래스에 대응하는 상기 합성 박동들의 각각과의 오차제곱합 편차를 계산하고,
상기 합성 박동들 중 가장 작은 오차제곱 합 편차를 갖는 것을 식별하는 장치.The method of claim 7,
In order to determine that a composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats substantially corresponds to each input ECG beat, the arrhythmia classification module,
Calculate a deviation of the sum of squares of errors between the ECG beat and each of the composite beats corresponding to the respective arrhythmia class,
An apparatus for identifying one of the composite beats having the smallest deviation of the sum of squared errors.
상기 심전도 박동에 실질적으로 부합하는 식별된 합성 박동에 기초하여 특정 유형의 심장부정맥에 대응하는 부정맥 클래스를 표시하는 전용 헬스 모니터링 장치; 및
부정맥 클래스들의 각각에 대응하는 자동 결합 뉴런 네트워크를 이용하여 상기 심전도 박동의 각각에 대응하는 합성 박동을 생성하고,
상기 합성 박동들 중 상기 부정맥 클래스의 하나에 대응하는 합성 박동을 상기 심전도 박동에 실질적으로 부합하는 것으로 판단하고,
상기 심전도 박동에 실질적으로 부합하는 식별된 합성 박동에 기초하여 특정 유형의 심장부정맥에 대응하는 상기 부정맥 클래스를 제공하는 서버;를 포함하고,
상기 서버는,
상기 심전도 신호의 상기 심전도 박동들의 각각에 대하여 R-피크를 검출하고, 상기 R-피크의 각각의 부근에서 상기 심전도 신호의 상기 심전도 박동들의 각각의 영역을 분할하고, 상기 심전도 신호의 상기 심전도 박동들의 상기 영역을 정규화하는, 박동 처리 모듈;을 더 포함하는 시스템.An acquisition device for receiving an electrocardiogram signal including a plurality of electrocardiogram beats representing electrical activity of an individual's heart for a predetermined period of time;
A dedicated health monitoring device that displays an arrhythmia class corresponding to a specific type of cardiac arrhythmia on the basis of the identified synthetic beat that substantially matches the electrocardiogram beat; And
Using an auto-coupled neuron network corresponding to each of the arrhythmia classes to generate a synthetic beat corresponding to each of the ECG beats,
It is determined that a composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats substantially corresponds to the ECG beat,
Including; and a server for providing the arrhythmia class corresponding to a specific type of cardiac arrhythmia on the basis of the identified synthetic beats substantially corresponding to the ECG beat,
The server,
Detecting an R-peak for each of the ECG beats of the ECG signal, dividing each region of the ECG beats of the ECG signal near each of the R-peaks, and the ECG beats of the ECG signal The system further comprises a beat processing module for normalizing the region.
상기 서버는,
상기 심전도 박동들을 스플라인 보간을 이용하여 감축된 크기의 심전도 박동으로 압축하는 스플라인 보간 모듈;을 더 포함하며,
상기 압축된 크기의 심전도 박동은 상기 심전도 박동의 특정 형상을 포함하는 시스템.The method of claim 9,
The server,
A spline interpolation module for compressing the ECG beats into an ECG beat of a reduced size using spline interpolation; further comprising,
The compressed size of the ECG beat is a system including a specific shape of the ECG beat.
상기 서버가 상기 합성 박동들 중에서 상기 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단할 때에,
상기 심전도 박동과 상기 각각의 부정맥 클래스에 대응하는 상기 합성 박동들의 각각과의 오차제곱합 편차를 계산하고,
상기 합성 박동들 중 가장 작은 오차제곱 합 편차를 갖는 것을 식별하는, 시스템.The method of claim 11,
When the server determines that a composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats substantially matches each input ECG beat,
Calculate a deviation of the sum of squares of errors between the ECG beat and each of the composite beats corresponding to the respective arrhythmia class,
Identifying which of the composite beats has the smallest sum-of-squares deviation deviation.
각각의 부정맥 클래스에 대응하는 자동 결합 뉴런 네트워크를 이용하여 상기 심전도 박동의 각각에 대응하는 합성 박동들을 생성하는 단계;
상기 합성 박동들 중에서 상기 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단하는 단계; 및
상기 심전도 박동에 실질적으로 부합하는 식별된 합성 박동에 기초하여 특정 유형의 심장부정맥에 대응하는 상기 부정맥 클래스를 제공하는 단계;를 서버 내의 프로세서를 이용하여 수행하는 프로그램이 저장되고,
상기 프로그램은,
상기 심전도 신호의 상기 심전도 박동들의 각각에 대하여 R-피크를 검출하는 단계;
상기 R-피크의 각각의 부근에서 상기 심전도 신호의 상기 심전도 박동들의 각각의 영역을 분할하는 단계; 및
상기 심전도 신호의 상기 심전도 박동들의 상기 영역을 정규화하는 단계;를 상기 프로세서를 이용하여 더 수행하는, 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장 매체.Receiving an electrocardiogram signal representing the electrical activity of an individual's heart and including electrocardiogram beats for a predetermined period of time;
Generating synthetic beats corresponding to each of the ECG beats using an auto-coupled neuron network corresponding to each arrhythmia class;
Determining that a composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats substantially corresponds to each input ECG beat; And
Providing the arrhythmia class corresponding to a specific type of cardiac arrhythmia on the basis of the identified synthetic beat that substantially corresponds to the ECG beat; a program for performing using a processor in the server is stored,
The above program,
Detecting an R-peak for each of the ECG beats of the ECG signal;
Dividing each region of the electrocardiogram beats of the electrocardiogram signal in the vicinity of each of the R-peaks; And
Normalizing the region of the electrocardiogram beats of the electrocardiogram signal by using the processor, a computer-readable storage medium.
상기 프로그램은,
상기 심전도 박동들을 스플라인 보간을 이용하여 감축된 크기의 심전도 박동으로 압축하는 단계;를 상기 프로세서를 이용하여 더 수행하며,
상기 압축된 크기의 심전도 박동은 상기 심전도 박동의 특정 형상을 포함하는, 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장 매체.The method of claim 13,
The above program,
Compressing the ECG beats into ECG beats of a reduced size using spline interpolation; further performing by using the processor,
The compressed size of the electrocardiogram beat includes a specific shape of the electrocardiogram beat.
상기 합성 박동들 중에서 상기 부정맥 클래스 중 하나에 대응하는 합성 박동을 각각의 입력 심전도 박동과 실질적으로 부합하는 것으로 판단하기 위하여, 상기 프로그램은,
상기 심전도 박동과 상기 각각의 부정맥 클래스에 대응하는 상기 합성 박동들의 각각과의 오차제곱합 편차를 계산하는 단계; 및
상기 합성 박동들 중 가장 작은 오차제곱 합 편차를 갖는 것을 식별하는 단계;를 상기 프로세서를 이용하여 더 수행하는, 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장 매체.The method of claim 15,
In order to determine that a composite beat corresponding to one of the arrhythmia classes among the composite beats substantially corresponds to each input ECG beat, the program,
Calculating a deviation of the sum of squares of errors between the ECG beat and each of the composite beats corresponding to the respective arrhythmia class; And
The computer-readable storage medium further performing the step of identifying the one having the smallest sum-of-error deviation among the composite beats by using the processor.
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