KR102704349B1 - Method and apparatus for QRS detection of ECG signal for cardiac diagnosis - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법은, (A) 정규화부가, 입력되는 오리지널 심전도(ECG: electrocardiogram) 신호를 정규화하는 단계; (B) 유-넷(U-Net) 모델이, 상기 정규화된 심전도 신호로부터 QRS 복합의 예측 위치를 나타내는 양성 출력을 생성하는 단계; 및 (C) 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링부(DBSCAN)가, 상기 유-넷(U-Net) 모델의 양성 출력을 클러스터링하여 QRS 복합을 검출하는 단계를 포함한다.A method for detecting QRS of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention comprises: (A) a step in which a normalization unit normalizes an input original electrocardiogram (ECG) signal; (B) a step in which a U-Net model generates a positive output indicating a predicted location of a QRS complex from the normalized ECG signal; and (C) a step in which a density-based spatial clustering unit (DBSCAN) applying noise clusters the positive output of the U-Net model to detect a QRS complex.
Description
본 발명은 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출에 관한 것이다.The present invention relates to QRS detection of electrocardiogram signals for cardiac diagnosis.
심전도(ECG: electrocardiogram)는 심장 질환 진단을 위한 중요한 비침습적 도구인 생체 전기에 의해 신체 표면에 전달되는 심장 활동의 통합 표현이다. 이는 심장 활동의 리듬을 직접적으로 반영하며 병리학 및 생리학 측면에서 다양한 정보를 포함한다.An electrocardiogram (ECG) is an integrated representation of cardiac activity transmitted to the body surface by bioelectricity, which is an important noninvasive tool for diagnosing cardiac diseases. It directly reflects the rhythm of cardiac activity and contains a variety of information in terms of pathology and physiology.
임상 실습에서 의사는 일반적으로 ECG 신호를 관찰하고 분석하여 심장 질환을 진단한다. 많은 수의 다이어그램을 스크리닝할 때 의사는 과중한 작업 부하로 인해 신호의 미묘한 변화를 무시할 수 있다. 그리고 의사의 전문성 수준은 다르다. 진단의 정확성은 의사의 전문성에 크게 좌우된다. 이 경우 의사의 업무량을 줄이고 진단의 정확성과 안정성을 향상시키기 위해 ECG를 분석하기 위해 지능적이고 자동적인 진단 방법이 요구된다.In clinical practice, doctors usually diagnose heart disease by observing and analyzing ECG signals. When screening a large number of diagrams, doctors may ignore subtle changes in the signals due to excessive workload. And the level of expertise of doctors is different. The accuracy of diagnosis is greatly influenced by the expertise of doctors. In this case, an intelligent and automatic diagnostic method is required to analyze ECG to reduce the workload of doctors and improve the accuracy and reliability of diagnosis.
지난 수십 년 동안 많은 발명이 ECG 진단에 집중되었다. ECG 신호에 대한 많은 진단 및 분석 방법에서 QRS 복합(complex) 검출은 추가 측정, 인식 및 진단에 직접적인 영향을 미치는 예비적이고 중요한 단계이다. QRS 복합은 ECG 주기에서 가장 눈에 띄고 중요한 부분이다. 그것은 좌심실과 우심실의 탈분극 동안의 잠재적인 변화를 반영한다. QRS 복합 중 R-피크는 QRS 복합의 피크로 종종 독립 비트의 표시로 간주된다. ECG 신호의 R-피크를 찾으면 QRS 복합, P파 및 T파의 위치를 쉽게 얻을 수 있다.In the past few decades, many inventions have focused on ECG diagnosis. In many diagnostic and analysis methods for ECG signals, QRS complex detection is a preliminary and important step that directly affects further measurement, recognition, and diagnosis. The QRS complex is the most prominent and important part of the ECG cycle. It reflects potential changes during depolarization of the left and right ventricles. Among the QRS complexes, the R-peak is the peak of the QRS complex and is often considered as an indication of an independent beat. By finding the R-peak of the ECG signal, the location of the QRS complex, P wave, and T wave can be easily obtained.
최근 몇 년 동안 발명자들은 웨이블릿 변형, 힐베르트 변환, 정규 문법, 템플릿 매칭 및 CNN(컨볼루션 신경망)을 포함하여 ECG 신호에서 QRS 검출을 위한 많은 알고리즘을 발명했다. 그 중 웨이블릿 분석법은 심전도 신호의 주파수 영역 특성을 추출할 수 있지만, 인위적인 모파 선택을 요구하고, 모파의 부적절한 선택은 좋지 않은 결과를 초래할 수 있다.In recent years, inventors have invented many algorithms for QRS detection in ECG signals, including wavelet transform, Hilbert transform, regular grammar, template matching and convolutional neural network (CNN). Among them, wavelet analysis method can extract the frequency domain characteristics of ECG signals, but it requires artificial selection of morphology, and improper selection of morphology may lead to poor results.
또한, 기존의 QRS 검출 방법은 일반적으로 복잡한 노이즈 제거 단계가 필요하고 특징 유형 및 특징 선택, 매개변수 설정 등을 포함하여 수동 설정 또는 선택에 크게 의존하므로 다양한 유형의 신호 및 방해에 대한 적응성이 떨어질 수 있다.In addition, existing QRS detection methods usually require complex noise removal steps and rely heavily on manual settings or selections, including feature types and feature selection, parameter settings, etc., which may result in poor adaptability to various types of signals and interferences.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복잡한 노이즈 제거 단계가 필요없고 특징 유형 및 특징 선택, 매개변수 설정 등을 포함하여 수동 설정 또는 선택에 크게 의존하지 않아 다양한 유형의 신호 및 방해에 대한 적응성이 양호하며, 정확하게 QRS 복합을 검출할 수 있는 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법 및 장치를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a method and device for detecting the QRS of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis, which has good adaptability to various types of signals and interferences and can accurately detect the QRS complex, without requiring a complex noise removal step and not greatly relying on manual settings or selections, including feature types and feature selection, parameter settings, etc.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법은,A method for detecting QRS of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention for solving the above problem is as follows.
(A) 정규화부가, 입력되는 오리지널 심전도(ECG: electrocardiogram) 신호를 정규화하는 단계;(A) A normalization step for normalizing an input original electrocardiogram (ECG) signal;
(B) 유-넷(U-Net) 모델이, 상기 정규화된 심전도 신호로부터 QRS 복합의 예측 위치를 나타내는 양성 출력을 생성하는 단계; 및(B) a step of the U-Net model generating a positive output indicating the predicted location of the QRS complex from the normalized electrocardiogram signal; and
(C) 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링부(DBSCAN)가, 상기 유-넷(U-Net) 모델의 양성 출력을 클러스터링하여 QRS 복합을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.(C) A density-based spatial clustering unit (DBSCAN) with noise applied may include a step of clustering positive outputs of the U-Net model to detect QRS complexes.
본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법에 있어서,In a method for detecting QRS of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention,
상기 단계 (C)에서, 상기 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링부는, 상기 유-넷(U-Net) 모델의 양성 출력을 복수의 클러스터로 클러스터링한 후, 상기 복수의 클러스터의 중간 지점을 R-피크의 위치로 결정함으로써 상기 QRS 복합을 검출할 수 있다.In the above step (C), the density-based spatial clustering unit applying the noise can detect the QRS complex by clustering the positive output of the U-Net model into multiple clusters and then determining the midpoint of the multiple clusters as the location of the R-peak.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법에 있어서, 상기 유-넷(U-Net) 모델은,In addition, in the QRS detection method of the electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention, the U-Net model,
상기 정규화된 심전도 신호에 대해 컨벌루션 및 맥스-풀링(Max-pooling)을 반복적으로 수행하여 상기 정규화된 심전도 신호의 특징 맵을 획득하는 코딩 경로부; 및A coding path section that repeatedly performs convolution and Max-pooling on the normalized ECG signal to obtain a feature map of the normalized ECG signal; and
상기 코딩 경로부에서 출력되는 특징 맵에 대해 업샘플링 및 컨벌루션을 반복적으로 수행하여 상기 QRS 복합의 예측 위치를 나타내는 양성 출력을 생성하는 디코딩 경로부를 포함할 수 있다.The method may include a decoding path section that repeatedly performs upsampling and convolution on a feature map output from the above coding path section to generate a positive output indicating a predicted location of the QRS complex.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법에 있어서, 상기 컨벌루션은 13×1 컨벌루션을 포함할 수 있다.Additionally, in a method for detecting QRS of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention, the convolution may include a 13×1 convolution.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법에 있어서, 상기 유-넷(U-Net) 모델은 과적합을 회피하기 위하여, 드롭아웃(Dropout) 레이어를 포함할 수 있다.In addition, in the QRS detection method of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention, the U-Net model may include a dropout layer to avoid overfitting.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 장치는,According to one embodiment of the present invention for solving the above problem, a QRS detection device of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis is provided.
입력되는 오리지널 심전도(ECG: electrocardiogram) 신호를 정규화하는 정규화부;A normalization unit that normalizes the input original electrocardiogram (ECG) signal;
상기 정규화된 심전도 신호로부터 QRS 복합의 예측 위치를 나타내는 양성 출력을 생성하는 유-넷(U-Net) 모델; 및A U-Net model that generates a positive output indicating the predicted location of the QRS complex from the normalized electrocardiogram signal; and
상기 유-넷(U-Net) 모델의 양성 출력을 클러스터링하여 QRS 복합을 검출하는 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링부(DBSCAN)를 포함할 수 있다.It may include a density-based spatial clustering unit (DBSCAN) that applies noise to cluster the positive output of the above U-Net model to detect QRS complexes.
본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 장치에 있어서, 상기 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링부는, 상기 유-넷(U-Net) 모델의 양성 출력을 복수의 클러스터로 클러스터링한 후, 상기 복수의 클러스터의 중간 지점을 R-피크의 위치로 결정함으로써 상기 QRS 복합을 검출할 수 있다.In a QRS detection device for an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention, the density-based spatial clustering unit applying the noise can detect the QRS complex by clustering the positive output of the U-Net model into a plurality of clusters and then determining the midpoint of the plurality of clusters as the location of the R-peak.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 장치에 있어서, 상기 유-넷(U-Net) 모델은,In addition, in the QRS detection device of the electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention, the U-Net model,
상기 정규화된 심전도 신호에 대해 컨벌루션 및 맥스-풀링(Max-pooling)을 반복적으로 수행하여 상기 정규화된 심전도 신호의 특징 맵을 획득하기 위한 코딩 경로부; 및A coding path section for repeatedly performing convolution and Max-pooling on the normalized ECG signal to obtain a feature map of the normalized ECG signal; and
상기 코딩 경로부에서 출력되는 특징 맵에 대해 업샘플링 및 컨벌루션을 반복적으로 수행하여 상기 QRS 복합의 예측 위치를 나타내는 양성 출력을 생성하는 디코딩 경로부를 포함할 수 있다.The method may include a decoding path section that repeatedly performs upsampling and convolution on a feature map output from the above coding path section to generate a positive output indicating a predicted location of the QRS complex.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 장치에 있어서, 상기 컨벌루션은 13×1 컨벌루션을 포함할 수 있다.Additionally, in the QRS detection device of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention, the convolution may include a 13×1 convolution.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 장치에 있어서, 상기 유-넷(U-Net) 모델은 과적합을 회피하기 위하여, 드롭아웃(Dropout) 레이어를 포함할 수 있다.In addition, in the QRS detection device of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention, the U-Net model may include a dropout layer to avoid overfitting.
본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법 및 장치에 의하면, 복잡한 노이즈 제거 단계가 필요없고 특징 유형 및 특징 선택, 매개변수 설정 등을 포함하여 수동 설정 또는 선택에 크게 의존하지 않아 다양한 유형의 신호 및 방해에 대한 적응성이 양호하며, 정확하게 QRS 복합을 검출할 수 있다.According to a method and device for detecting QRS of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention, a complex noise removal step is not required and there is no significant dependence on manual settings or selections, including feature types and feature selection, parameter settings, etc., so that the adaptability to various types of signals and interferences is good and the QRS complex can be accurately detected.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법의 흐름도.
도 2는 전처리 단계에서의 ECG 신호를 도시한 도면으로서, (a)는 오리지널 ECG 신호, (b)는 정규화된 ECG 신호를 도시한 도면.
도 3은 유-넷(U-Net) 모델의 구조를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에서 QRS 검출을 위한 U-Net 출력들의 클러스터들을 도시한 것으로서, 파란색 실선은 오리지널 ECG 신호를 나타내고, 별표는 클러스터들에서의 포인트들을 나타내며, 별표의 색상은 클러스터링 이후의 클래스를 나타내며, 검은색 파선은 수동으로 식별된 R-피크 위치를 나타내고, 검은색 상방 지시 삼각형은 R-피크 위치 결과를 나타냄.
도 5는 본 발명에서 ECG 신호에서 QRS 검출을 도시한 도면으로, (a)는 원시(Raw) ECG 신호, (b)는 정규화된 ECG 신호, (c)는 U-Net 모델의 예측, (d)는 임계값 0.9를 사용한 U-Net 양성 출력, (e)는 복수의 U-Net 양성 출력의 클러스터들, (f)는 QRS 검출을 도시한 도면이고, (a), (e) 및 (f)에서의 파란색 실선은 오리지널 ECG 신호를 나타내고, (c)에서의 오렌지색 실선은 U-Net 모델의 출력을 나타내며, (d)에서의 검은색 실선은 임계값 0.9를 사용하여 이진화된 예측값들을 나타내고, (e)에서의 별표는 클러스터들 내의 포인트들을 나타내며, 별표의 색상은 클러스터링 이후의 클래스를 나타내고, (f)에서의 검은색 파선은 MITDB에서 수동으로 식별된 R-피크 위치를 나타내며, 검은색 상방 지시 삼각형은 본 발명을 사용하여 검출된 R-피크의 위치 결과를 나타냄.
도 6은 NSR. LBBB, RBBB, PVC 및 APB의 ECG 신호에서 QRS 검출의 예를 도시한 도면으로, (a)는 기록 205로부터의 NSR의 ECG 신호, (b)는 기록 109로부터의 LBBB의 ECG 신호, (c)는 기록 118로부터의 RBBB의 ECG 신호, (d)는 기록 223으로부터의 PVC의 ECG 신호, (e)는 기록 223으로부터의 PVC의 ECG 신호를 도시한 도면이고, 각 파트에 대해, 검은색 실선은 오리지널 ECG 신호이고, 오렌지색 실선은 U-Net 모델의 출력을 나타내며, 검은색 파선은 MITDB에서 수동으로 식별된 R-피크를 나타내고, 검은색 상방 지시 삼각형은 본 발명을 사용하여 검출된 R-피크의 위치 결과를 나타내며, 회색으로 표시된 영역 내에 검출된 R-피크는 TP로서 간주됨.
도 7은 피크치가 큰 T-파와 심각한 노이즈를 갖는 ECG 신호에서의 QRS 검출을 도시한 도면으로, (a)는 기록 113으로부터의 피크치가 큰 T-파를 갖는 ECG 신호, (b)는 기록 209로부터의 심각한 노이즈를 갖는 ECG 신호를 도시한 도면이고, 각 파트에 대해, 파란색 실선은 오리지널 ECG 신호이며, 오렌지색 실선은 U-Net 모델의 출력을 나타내며, 검은색 파선은 MITDB에서 수동으로 식별된 R-피크 위치를 나타내고, 검은색 상방 지시 삼각형은 본 발명을 사용한 R-피크의 위치 결과를 나타내며, 회색으로 표시된 영역 내의 검출된 R-피크는 TP로 간주됨.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 장치를 도시한 도면.FIG. 1 is a flowchart of a method for detecting QRS of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram illustrating an ECG signal in the preprocessing stage, where (a) is an original ECG signal and (b) is a diagram illustrating a normalized ECG signal.
Figure 3 is a diagram illustrating the structure of the U-Net model.
Figure 4 illustrates clusters of U-Net outputs for QRS detection in the present invention, where the blue solid line represents the original ECG signal, the asterisks represent points in the clusters, the color of the asterisks represents the classes after clustering, the black dashed lines represent manually identified R-peak locations, and the black upward pointing triangles represent the R-peak location results.
FIG. 5 is a diagram illustrating QRS detection in an ECG signal in the present invention, wherein (a) is a raw ECG signal, (b) is a normalized ECG signal, (c) is a prediction of a U-Net model, (d) is a U-Net positive output using a threshold of 0.9, (e) is a diagram illustrating QRS detection, and the blue solid lines in (a), (e), and (f) represent the original ECG signal, the orange solid line in (c) represents the output of the U-Net model, the black solid line in (d) represents binarized prediction values using a threshold of 0.9, the asterisks in (e) represent points within clusters, and the color of the asterisks represents classes after clustering, the black dashed lines in (f) represent R-peak locations manually identified in MITDB, and the black upward-pointing triangles represent the results of detecting the locations of R-peaks using the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing examples of QRS detection in ECG signals of NSR, LBBB, RBBB, PVC, and APB, where (a) is an ECG signal of NSR from record 205, (b) is an ECG signal of LBBB from record 109, (c) is an ECG signal of RBBB from record 118, (d) is an ECG signal of PVC from record 223, and (e) is an ECG signal of PVC from record 223, and for each part, the black solid line is the original ECG signal, the orange solid line represents the output of the U-Net model, the black dashed line represents an R-peak manually identified in MITDB, and the black upward-pointing triangle represents the position result of the R-peak detected using the present invention, and the R-peak detected within the gray marked area is regarded as a TP.
FIG. 7 is a diagram illustrating QRS detection in an ECG signal with a large peak T-wave and severe noise, (a) an ECG signal with a large peak T-wave from Record 113, (b) an ECG signal with severe noise from Record 209, and for each part, the blue solid line is the original ECG signal, the orange solid line represents the output of the U-Net model, the black dashed line represents the R-peak location manually identified from MITDB, the black upward-pointing triangle represents the result of the R-peak location using the present invention, and the detected R-peaks within the gray marked area are regarded as TP.
FIG. 8 is a drawing illustrating a QRS detection device of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.The objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be interpreted in their usual or dictionary meanings, but should be interpreted in a meaning and concept that conforms to the technical idea of the present invention based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his or her own invention in the best way.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.When adding reference numbers to components of each drawing in this specification, it should be noted that identical components are given the same numbers as much as possible even if they are shown in different drawings.
또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.Additionally, terms such as “first,” “second,” “one side,” “the other side,” etc. are used to distinguish one component from another, and the components are not limited by these terms.
이하, 본 발명을 설명함에 있어, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, in describing the present invention, detailed descriptions of related known technologies that may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be omitted.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
QRS 복합 검출 또는 QRS 검출은 심전도 신호 분석에서 중요한 작업이며, 이는 추가 인식 및 진단을 위한 예비적이고 필수적인 단계이다. 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법에서는 QRS 검출을 위한 유-넷(U-Net) 기반 방법을 제안한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법은, 전처리 단계인 정규화, U-Net 모델 및 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링(DBSCAN: Density-based spatial clustering of applications with noise)의 세 단계로 구성된다.QRS complex detection or QRS detection is an important task in electrocardiogram signal analysis, and it is a preliminary and essential step for further recognition and diagnosis. In a method for QRS detection of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to an embodiment of the present invention, a U-Net based method for QRS detection is proposed. The QRS detection method of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to an embodiment of the present invention consists of three steps: normalization as a preprocessing step, a U-Net model, and density-based spatial clustering of applications with noise (DBSCAN).
정규화는 전처리에서 Z-점수 방법을 사용하여 수행된다. 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법에서는 U-Net 모델로 위치 예측을 수행한다. 그 후 U-Net 출력은 DBSCAN에 의해 임계값에 기반하여 처리되고 클러스터링된다. 마지막으로 클러스터의 중간 지점은 QRS 복합의 R 피크로 간주된다.Normalization is performed using the Z-score method in preprocessing. In the QRS detection method of the electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention, location prediction is performed using the U-Net model. The U-Net output is then processed and clustered based on the threshold by DBSCAN. Finally, the middle point of the cluster is considered as the R peak of the QRS complex.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법은 MIT-BIH Arrhythmia Database(MITDB)에서 ECG 신호에 대한 높은 정확도를 달성함을 입증한다. 실험 결과 평균 민감도 99.98%, 양성 예측도 99.95%, 정확도 99.93%, F1 점수 99.97%를 보였다. 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법은 기존의 다른 방법과 비교하여 전반적인 성능은 비슷하며 정확도와 F1 점수 면에서 훨씬 우수하다.Meanwhile, the QRS detection method of the electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention demonstrates high accuracy for the ECG signal in the MIT-BIH Arrhythmia Database (MITDB). The experimental results show an average sensitivity of 99.98%, a positive predictive value of 99.95%, an accuracy of 99.93%, and an F1 score of 99.97%. The QRS detection method of the electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention is similar to other existing methods in overall performance and is much superior in accuracy and F1 score.
본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법 및 장치는, 최첨단 성능을 달성하기 위한 QRS 검출을 설계하는 것을 목표로 한다. 제안하는 방법은 U-Net과 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링(DBSCAN)을 기반으로 한다.The method and device for QRS detection of electrocardiogram signals for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention aim to design QRS detection to achieve state-of-the-art performance. The proposed method is based on U-Net and density-based spatial clustering (DBSCAN) with noise.
CNN을 사용하는 QRS 검출 알고리즘은 몇 가지 전처리 단계와 수동 설정으로 높은 정확도를 달성한다. 따라서 먼저 널리 사용되는 CNN인 유-넷(U-Net)을 채택하여 ECG 신호를 예측한다. 예측 결과는 클러스터로 분류되어 R-피크를 찾는다. QRS 복합의 수는 일반적으로 알려져 있지 않으며 길이가 다르다. 그래서 클러스터의 수를 미리 설정할 필요가 없고 모든 크기와 모양의 클러스터를 찾을 수 있는 분류를 위해 DBSCAN을 채택했다.QRS detection algorithm using CNN achieves high accuracy with few preprocessing steps and manual settings. Therefore, we first adopt U-Net, a widely used CNN, to predict ECG signals. The prediction results are classified into clusters to find R-peaks. The number of QRS complexes is generally unknown and their lengths are different. Therefore, DBSCAN is adopted for classification, which does not require the number of clusters to be set in advance and can find clusters of all sizes and shapes.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 장치는, 입력되는 오리지널 심전도(Raw ECG)(ECG: electrocardiogram) 신호를 정규화하는 정규화부(800), 상기 정규화된 심전도 신호로부터 QRS 복합의 예측 위치를 나타내는 양성 출력을 생성하는 유-넷(U-Net) 모델(802) 및 상기 유-넷(U-Net) 모델(802)의 양성 출력을 클러스터링하여 QRS 복합을 검출하는, 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링부(DBSCAN)(804)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 8, a QRS detection device of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to one embodiment of the present invention may include a normalization unit (800) that normalizes an input raw electrocardiogram (ECG) signal, a U-Net model (802) that generates a positive output indicating a predicted location of a QRS complex from the normalized electrocardiogram signal, and a density-based spatial clustering unit (DBSCAN) (804) that applies noise and clusters the positive output of the U-Net model (802) to detect the QRS complex.
또한, 도 1 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법은, 정규화부(800)가, 입력되는 오리지널 심전도(ECG: electrocardiogram) 신호를 정규화하는 단계(S100), 유-넷(U-Net) 모델(802)이 상기 정규화된 심전도 신호로부터 QRS 복합의 예측 위치를 나타내는 양성 출력을 생성하는 단계(S102) 및 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링부(DBSCAN)(804)가, 상기 유-넷(U-Net) 모델(802)의 양성 출력을 클러스터링하여 QRS 복합을 검출하는 단계(S104)를 포함할 수 있다.In addition, referring to FIG. 1 and FIG. 8, a method for detecting QRS of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to an embodiment of the present invention may include a step (S100) in which a normalization unit (800) normalizes an input original electrocardiogram (ECG) signal, a step (S102) in which a U-Net model (802) generates a positive output indicating a predicted location of a QRS complex from the normalized ECG signal, and a step (S104) in which a density-based spatial clustering unit (DBSCAN) (804) applying noise clusters the positive output of the U-Net model (802) to detect a QRS complex.
상기 단계 S104에서, 상기 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링부(804)는, 상기 유-넷(U-Net) 모델의 양성 출력을 복수의 클러스터로 클러스터링한 후, 상기 복수의 클러스터의 중간 지점을 R-피크의 위치로 결정함으로써 상기 QRS를 검출할 수 있다.In the above step S104, the density-based spatial clustering unit (804) to which the noise is applied can detect the QRS by clustering the positive output of the U-Net model into multiple clusters and then determining the midpoint of the multiple clusters as the location of the R-peak.
도 3을 참조하면, 상기 유-넷(U-Net) 모델(802)은, 상기 정규화된 심전도 신호에 대해 컨벌루션 및 맥스-풀링(Max-pooling)을 반복적으로 수행하여 상기 정규화된 심전도 신호의 특징 맵을 획득하기 위한 코딩 경로부(300) 및 상기 코딩 경로부(300)에서 출력되는 특징 맵에 대해 업샘플링 및 컨벌루션을 반복적으로 수행하여 상기 QRS 복합의 예측 위치를 나타내는 양성 출력을 생성하는 디코딩 경로부(302)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the U-Net model (802) may include a coding path unit (300) for repeatedly performing convolution and Max-pooling on the normalized electrocardiogram signal to obtain a feature map of the normalized electrocardiogram signal, and a decoding path unit (302) for repeatedly performing upsampling and convolution on the feature map output from the coding path unit (300) to generate a positive output indicating a predicted location of the QRS complex.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법은, 정규화(S100), U-Net(S102) 및 DBSCAN(S104)의 세 단계로 구성된다. 도 1은 세 단계와 그 상호 작용을 모두 포함하는 QRS 검출 방법의 흐름도를 보여준다. 전처리 단계에서는 정규화 단계만 필요하다. 그런 다음 훈련된 U-Net을 사용하여 정규화된 ECG 신호를 처리한다. 결정 단계에서 DBSCAN 방법을 채택하여 QRS 복합을 자동으로 국소화하고 R-피크를 검출한다.As illustrated in FIG. 1, a QRS detection method of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis according to an embodiment of the present invention consists of three steps: normalization (S100), U-Net (S102), and DBSCAN (S104). FIG. 1 shows a flowchart of a QRS detection method including all three steps and their interactions. In the preprocessing step, only the normalization step is required. Then, the normalized ECG signal is processed using the trained U-Net. In the decision step, the DBSCAN method is adopted to automatically localize the QRS complex and detect the R-peak.
정규화Normalization
원시 ECG 신호에는 일반적으로 개인차가 있다. 이 경우, 본 발명에서는 먼저 Z-점수를 선형 스케일링 방법으로 활용하여 원래 ECG 신호를 정규화한다. 정규화는 구현하기 쉽고 표준화되지 않은 데이터가 심층 신경망에 미치는 영향을 피할 수 있다. 신호는 다음 수학식에 따라 정규화된다.The raw ECG signal usually has individual differences. In this case, the present invention first normalizes the original ECG signal by using the Z-score as a linear scaling method. Normalization is easy to implement and can avoid the influence of non-standardized data on deep neural networks. The signal is normalized according to the following mathematical formula.
여기서 ECG는 원시(Raw) ECG 신호이고 ECGmean은 원래 ECG 신호의 평균값이며 ECGstd는 원래 ECG 신호의 표준 편차이다. 또한 원시 ECG 신호를 5000개의 샘플 포인트를 포함하는 표준 크기의 세그먼트로 분리한다. 전처리에서 추가 노이즈 제거 단계는 포함되지 않는다. 도 2는 정규화된 ECG 신호를 보여준다.Here, ECG is the raw ECG signal, ECG mean is the mean of the original ECG signal, and ECG std is the standard deviation of the original ECG signal. In addition, the raw ECG signal is divided into standard-sized segments containing 5000 sample points. No additional noise removal step is included in the preprocessing. Figure 2 shows the normalized ECG signal.
유넷(U-Net)U-Net
U-Net 모델은 도 3과 같이 인코딩 경로(300)와 디코딩 경로(302)를 포함한다. 네트워크에는 3개의 맥스-풀링(max-pooling) 레이어, 3개의 업샘플링 레이어 및 15개의 컨볼루션이 있다. ECG 신호에서 시간적 구조의 특성을 추출하기 위해 기존 U-Net 모델의 3×3 컨볼루션이 아닌 U-Net 모델의 모든 컨볼루션에 대해 13×1 컨볼루션을 채택하였다.The U-Net model includes an encoding path (300) and a decoding path (302) as shown in Fig. 3. The network has three max-pooling layers, three upsampling layers, and 15 convolutions. In order to extract the characteristics of the temporal structure from the ECG signal, 13×1 convolutions were adopted for all convolutions of the U-Net model instead of the 3×3 convolutions of the existing U-Net model.
가장 큰 이유는 입력 영상의 해상도가 상대적으로 낮은 경우 3×3의 영역이라 할지라도 작은 영역에서도 큰 변화를 나타낼 수 있기 때문이다. 그러나 ECG 신호는 일반적으로 주파수가 낮고 샘플링 속도가 낮기 때문에 세 지점의 영역은 특정 파형을 형성하기 어렵고 노이즈의 간섭을 받기 쉽다. 본 발명에서는 QRS 복합의 특징을 효과적으로 추출하기 위해 상대적으로 큰 크기의 컨볼루션을 사용한다.The main reason is that even a 3x3 area can exhibit a large change in a small area if the resolution of the input image is relatively low. However, since the ECG signal generally has a low frequency and a low sampling rate, it is difficult for the three-point area to form a specific waveform and is susceptible to interference from noise. In the present invention, a relatively large-sized convolution is used to effectively extract the features of the QRS complex.
U-Net은 대칭 구조를 가지고 있다. 코딩 경로부(300)는 반복적인 구조이다. 각 반복 구조(303)는 두 개의 컨볼루션(304)과 맥스-풀링 레이어(308)를 포함한다. 컨볼루션(304)의 크기는 13×1이고 활성화 함수는 ReLu이다. 두 번의 컨볼루션 후에 단계 크기가 2인 2×1 맥스-풀링 레이어(308)가 있다.U-Net has a symmetric structure. The coding path (300) is a repetitive structure. Each repetitive structure (303) includes two convolutions (304) and a max-pooling layer (308). The size of the convolutions (304) is 13×1 and the activation function is ReLu. After two convolutions, there is a 2×1 max-pooling layer (308) with a step size of 2.
각 다운샘플링 후에 채널 수는 두 배가 된다. 또한 기존의 U-Net 모델과 달리 특징 맵을 연결할 때 클리핑 동작을 피하기 위해 동일한 크기의 특징 맵을 얻도록 패딩을 채택했다.After each downsampling, the number of channels is doubled. In addition, unlike the existing U-Net model, padding is adopted to obtain feature maps of the same size to avoid clipping operation when concatenating feature maps.
디코딩 경로부(302)에서 각 단계에서 디컨볼루션(업샘플링)(310)이 사용된다. 디컨볼루션을 사용하면 특징 채널의 수가 절반으로 줄어들고 특징 맵의 크기는 2배가 된다. 디컨볼루션 후 결과는 코딩 경로부(300)에서 해당 단계의 특징 맵과 연결되고 두 개의 13×1 컨볼루션(304)이 이어진다. 마지막 컨볼루션 레이어(312)에서는 1×1 컨벌루션을 사용하고, 활성화 함수로 시그모이드 함수(sigmoid function)를 사용하였다.In the decoding path (302), deconvolution (upsampling) (310) is used at each stage. Using deconvolution reduces the number of feature channels by half and doubles the size of the feature map. After deconvolution, the result is connected to the feature map of the corresponding stage in the coding path (300), and two 13×1 convolutions (304) are performed. In the last convolution layer (312), a 1×1 convolution is used, and a sigmoid function is used as an activation function.
CNN에서는 컨볼루션 레이어의 수가 증가할수록 모델 표현 및 특징 추출 능력이 강해진다. 그러나 모델이 너무 복잡하면 많은 계산량과 과적합이 발생할 수 있다. 따라서 과적합 문제를 피하기 위해 0.2, 0.5 및 0.2 비율의 드롭아웃(Dropout) 레이어(306)가 각각 세 번째, 일곱 번째 및 열한 번째 컨볼루션 뒤에 추가된다.In CNN, as the number of convolutional layers increases, the model representation and feature extraction capabilities become stronger. However, if the model is too complex, a large amount of computation and overfitting may occur. Therefore, to avoid the overfitting problem, dropout layers (306) with ratios of 0.2, 0.5, and 0.2 are added after the third, seventh, and eleventh convolutions, respectively.
드롭아웃은 신경망이 과적합되는 것을 방지하기 위해 특정 확률 값으로 신경망의 노드를 무작위로 버린다. 노드가 반복에서 포기 지점으로 무작위로 선택되면 이 반복에서 신경망의 순방향 프로세스에서 노드의 출력이 0으로 설정되고 역방향 프로세스에서 가중치와 편향 항이 업데이트되지 않는다. 따라서 노드는 무작위로 비활성화되고 훈련 과정에 참여하지 않으므로 신경 노드의 조인트 적응력이 약화되고 일반화 능력이 향상된다. 본 발명에 의한 알고리즘에서 U-Net 모델의 출력은 양성 출력을 달성하기 위해 미리 설정된 임계값 간격을 사용하여 임계값이 지정된다.Dropout randomly discards nodes of a neural network with a certain probability value to prevent the neural network from overfitting. When a node is randomly selected as a dropout point in an iteration, the output of the node is set to 0 in the forward process of the neural network in this iteration, and the weights and bias terms are not updated in the backward process. Therefore, the node is randomly disabled and does not participate in the training process, so that the joint adaptability of the neural node is weakened and the generalization ability is improved. In the algorithm of the present invention, the output of the U-Net model is thresholded using a preset threshold interval to achieve a positive output.
노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링(DBSCAN: Density-based spatial clustering of applications with noise)Density-based spatial clustering of applications with noise (DBSCAN)
QRS 복합을 검출하려면 U-Net 모델의 양성 출력을 분류해야 한다. 분류를 위한 간단한 카운팅 방법은 신호에 노이즈가 심한 경우 U-Net의 양성 출력이 하나의 QRS 영역에 대해 두 개의 직사각형파를 형성할 수 있기 때문에 위치 오류로 이어질 수 있다.To detect QRS complexes, the positive output of the U-Net model must be classified. A simple counting method for classification can lead to localization errors because the positive output of the U-Net can form two rectangular waves for one QRS region when the signal is noisy.
알고리즘에서 클러스터링 방법으로 DBSCAN을 선택한다. DBSCAN은 밀도 기반 공간 클러스터링 알고리즘이다. 클러스터 수를 미리 설정할 필요가 없으며 모든 크기와 모양의 클러스터를 찾을 수 있다. 일반적으로 QRS 복합의 수를 알 수 없고 길이가 다르기 때문에 이 기능은 QRS 검출에 적합하다. DBSCAN은 파티션 기반 클러스터링 방법 및 계층적 클러스터링 방법에 비해 입력 매개 변수를 결정하는 데 필요한 지식이 적고 해당 영역의 밀도가 충분히 높을 때 클러스터를 형성할 수 있다. In the algorithm, DBSCAN is selected as the clustering method. DBSCAN is a density-based spatial clustering algorithm. It does not require a preset number of clusters and can find clusters of any size and shape. This feature is suitable for QRS detection because the number of QRS complexes is generally unknown and their lengths are different. Compared with partition-based clustering methods and hierarchical clustering methods, DBSCAN requires less knowledge to determine input parameters and can form clusters when the density of the corresponding area is sufficiently high.
DBSCAN의 주요 프로세스는 접근하지 않은 임의의 데이터 포인트에서 시작하여 거리 ε만큼 이 포인트의 이웃을 추출한다. 이웃에 포인트가 충분하면 클러스터링 프로세스가 시작되고 현재 데이터 포인트가 새 클러스터의 첫 번째 포인트가 된다. 그렇지 않으면 포인트가 노이즈로 표시된다.The main process of DBSCAN starts from a random data point that has not been accessed and extracts neighbors of this point with a distance ε. If there are enough points in the neighborhood, the clustering process starts and the current data point becomes the first point of a new cluster. Otherwise, the point is marked as noise.
새 클러스터의 첫 번째 포인트의 경우 거리가 ε인 이웃의 포인트는 이 클러스터에 속한다. 이 프로세스는 모든 새 포인트가 클러스터에 추가될 때까지 반복된다. 클러스터의 모든 포인트가 결정된 후 새로운 포인트가 추출되어 처리된다. 이 프로세스는 모든 포인트가 방문한 것으로 표시될 때까지 반복된다. 마지막으로 모든 포인트에 액세스하고 각 포인트는 클러스터 또는 노이즈에 속하는 것으로 표시된다.For the first point in a new cluster, the points in the neighborhood with a distance ε belong to this cluster. This process is repeated until all new points are added to the cluster. After all points in the cluster are determined, new points are extracted and processed. This process is repeated until all points are marked as visited. Finally, all points are accessed and each point is marked as belonging to a cluster or noise.
도 4는 QRS 검출을 위한 U-Net 양성 출력의 클러스터링 예를 보여준다. 클러스터링 후 모든 클러스터의 중간 지점은 R-피크의 위치로 결정된다.Figure 4 shows an example of clustering of U-Net positive outputs for QRS detection. After clustering, the midpoint of all clusters is determined as the location of the R-peak.
실험 결과Experimental Results
제안하는 QRS 검출 알고리즘은 Python으로 구현되었으며 알고리즘의 U-Net 모델은 Keras2.2.4에서 학습 및 테스트되었다. 실험용 컴퓨터는 CPU i5-6500 3.20GHz, 8GB RAM, GTX 1080Ti GPU 및 16GB 그래픽 메모리를 포함했다.The proposed QRS detection algorithm is implemented in Python, and the U-Net model of the algorithm is trained and tested in Keras2.2.4. The experimental computer included CPU i5-6500 3.20GHz, 8GB RAM, GTX 1080Ti GPU, and 16GB graphics memory.
데이터베이스Database
실험에서 훈련 및 테스트 데이터베이스로 MIT-BIH Arrhythmia Database(MITDB)가 사용되었다. 이 데이터베이스는 국제적으로 인정된 ECG 데이터베이스 중 하나이며 ECG 신호 처리의 과학적 발명에 널리 사용된다.In our experiments, the MIT-BIH Arrhythmia Database (MITDB) was used as a training and test database. This database is one of the internationally recognized ECG databases and is widely used in scientific inventions of ECG signal processing.
MITDB에는 두 그룹으로 구성된 47명의 피험자로부터 48개의 ECG 기록이 포함되어 있다. 한 그룹에는 ECG 데이터베이스에서 무작위로 선택된 23개의 ECG 기록이 포함되어 있고 다른 그룹에는 임상 실습에서 매우 중요한 드문 변화가 있는 ECG 기록이 있다. 각 기록의 길이는 약 30분이다. 샘플링 속도가 360Hz인 두 개의 리드로 구성된다. 하나의 리드는 MLII이고 다른 하나는 리드 V1, V2, V4 또는 V5이다. 본 실험에서는 리드 MLII가 있는 ECG 데이터만 사용한다.The MITDB contains 48 ECG records from 47 subjects divided into two groups. One group contains 23 ECG records randomly selected from the ECG database, and the other group contains ECG records with rare changes that are of great importance in clinical practice. Each record is approximately 30 minutes long. It consists of two leads with a sampling rate of 360 Hz. One lead is MLII and the other is lead V1, V2, V4 or V5. In this experiment, only ECG data with lead MLII are used.
평가evaluation
실험 결과를 적절하게 평가하기 위해 MITDB에서 민감도, 양성 정확도, 정확도, F1 점수 등 4가지 평가 지표를 계산한다. 이러한 측정항목은 다음과 같이 정의된다.To properly evaluate the experimental results, MITDB calculates four evaluation metrics: sensitivity, positive accuracy, accuracy, and F1 score. These metrics are defined as follows:
여기서 TP는 참 양성, FP는 거짓 양성, FN은 거짓 음성이다. Se, PPV, Acc 및 F1은 각각 민감도, 양성 예측도, 정확도 및 F1 점수를 나타낸다.Here, TP is true positive, FP is false positive, and FN is false negative. Se, PPV, Acc, and F1 represent sensitivity, positive predictive value, accuracy, and F1 score, respectively.
결과 및 논의Results and Discussion
MITDB의 경우 훈련을 위해 기록 100, 103, 105, 106, 108, 111, 113, 115, 116, 117, 119, 122, 124, 200, 201, 203, 207, 208, 209, 210, 212, 214, 217, 220, 222, 228, 230, 231 및 233을 사용하고, 테스트를 위해 기록 101, 107, 109, 112, 114, 118, 121, 123, 202, 205, 213, 215, 219, 223, 232 및 234를 사용한다. U-Net 모델은 먼저 훈련 세트에 의해 훈련된다.For MITDB, we use records 100, 103, 105, 106, 108, 111, 113, 115, 116, 117, 119, 122, 124, 200, 201, 203, 207, 208, 209, 210, 212, 214, 217, 220, 222, 228, 230, 231, and 233 for training, and records 101, 107, 109, 112, 114, 118, 121, 123, 202, 205, 213, 215, 219, 223, 232, and 234 for testing. The U-Net model is first trained by the training set.
도 5는 테스트 프로세스의 단계를 보여준다. 먼저 원래 ECG 신호를 정규화한 다음 훈련된 U-Net 모델을 사용하여 정규화된 신호를 분류한다. U-Net 출력은 수동 설정에서 가져온 임계값 0.9로 이진화된다. 그런 다음 이진 신호는 DBSCAN에 의해 *-*분류된다. 마지막으로 클러스터의 중간 지점을 계산하여 R-피크를 달성한다.Figure 5 shows the steps of the testing process. First, the original ECG signal is normalized, and then the trained U-Net model is used to classify the normalized signal. The U-Net output is binarized with a threshold of 0.9 taken from the manual setting. Then the binary signal is *-* classified by DBSCAN. Finally, the midpoint of the cluster is calculated to achieve R-peak.
검출된 R-피크는 R-피크(27개 지점)의 실제 위치로부터 ±75ms 거리에 위치하는 것을 TP로 간주한다. 모든 훈련 및 테스트 세트에 대한 QRS 검출 결과는 표 1 및 2에 나와 있다.The detected R-peaks are considered as TPs when they are located at a distance of ±75 ms from the actual location of the R-peaks (27 points). The QRS detection results for all training and test sets are shown in Tables 1 and 2.
테스트 세트에 대한 평균 민감도, 양성 예측도, 정확도 및 F1 점수는 각각 최대 99.98%, 99.95%, 99.93% 및 99.97%이다. 테스트 세트에서 3개 기록의 정확도 값은 99.90% 미만이다. 주요 이유는 다음과 같다The average sensitivity, positive predictive value, accuracy and F1 score for the test set are up to 99.98%, 99.95%, 99.93% and 99.97%, respectively. The accuracy values of three records in the test set are less than 99.90%. The main reasons are as follows.
(1) 기록은 전처리 단계에서 5000개 샘플의 표준 크기로 분할되지만 분할에서 R-피크의 위치는 고려되지 않으므로 R-피크가 세그먼트의 경계에 있을 때 검출 불량으로 이어진다.(1) The records are segmented into a standard size of 5000 samples in the preprocessing step, but the location of the R-peak is not considered in the segmentation, which leads to poor detection when the R-peak is on the boundary of the segment.
(2) 부정맥의 몇 가지 특징은 훈련 세트의 부족으로 제안된 방법의 R-피크가 검출되지 않는다.(2) Some features of arrhythmia are not detected by the proposed method's R-peak due to the lack of training sets.
(3) 기록에서 노이즈 및 파형 왜곡으로 인해 QRS 검출이 잘못될 수 있다.(3) QRS detection may be incorrect due to noise and waveform distortion in the recording.
표 3은 제안된 방법과 기존의 MITDB를 이용한 방법을 비교한 것이다. 표 3의 굵은 숫자는 평가 지표에 대한 최상의 결과를 나타낸다. 본 발명의 제안된 알고리즘은 다른 11가지 방법과 비교하여 유사한 검출 결과를 달성한다. 전반적인 성능 측면에서 본 발명에 의한 방법은 경쟁력이 있으며 정확도와 F1 점수 면에서 훨씬 뛰어나다. 표 3의 일부 방법은 MITDB의 모든 기록에서 테스트되었으며 본 발명의 방법의 결과는 MITDB에서 선택한 테스트 세트에 대한 것이다.Table 3 compares the proposed method with the existing MITDB-based method. The bold numbers in Table 3 represent the best results for the evaluation metrics. The proposed algorithm of the present invention achieves similar detection results compared to the other 11 methods. In terms of overall performance, the proposed method is competitive and outperforms the existing method in terms of accuracy and F1 score. Some of the methods in Table 3 are tested on all records in MITDB, and the results of the proposed method are on the test set selected from MITDB.
MITDB의 기록에는 5가지 종류의 전형적인 ECG 신호가 포함된다. 정상 동리듬(NSR: normal sinus rhythm), 좌속가지 차단 박동(LBBB: left bundle branch block beat), 우속 가지 차단 박동(RBBB: right bundle branch block beat), 조기 심실 수축(PVC: Premature Ventricular Contractions) 및 심방 조기 박동(APB: atrial premature beat).MITDB records contain five typical ECG signals: normal sinus rhythm (NSR), left bundle branch block beat (LBBB), right bundle branch block beat (RBBB), premature ventricular contractions (PVC), and atrial premature beats (APB).
도 6은 이러한 5가지 ECG 신호에 대한 QRS 검출 결과를 보여준다. 본 발명에 의한 방법은 이 5가지 종류의 ECG 신호에서 QRS 복합을 정확하게 검출한다. 도 6에서 회색으로 표시된 영역 내에서 검출된 R-피크를 TP로 간주한다. 그리고 회색의 너비 영역은 150ms이다.Fig. 6 shows the QRS detection results for these five ECG signals. The method according to the present invention accurately detects QRS complexes in these five types of ECG signals. The R-peak detected within the gray area in Fig. 6 is regarded as TP. And the gray width area is 150 ms.
본 발명에 의한 알고리즘의 견고성을 테스트하기 위해 도 7과 같이 MITDB에서 심각한 노이즈 또는 변화가 있는 세 개의 기록을 선택한다. 선택한 신호는 각각 기록 113과 209에서 가져온 것이다. 기록 113은 T-파의 높은 정점을 가지고 있고 기록 209는 노이즈가 심하다. To test the robustness of the algorithm of the present invention, three records with serious noise or changes are selected from MITDB as shown in Fig. 7. The selected signals are taken from records 113 and 209, respectively. Record 113 has a high peak of T-wave, and record 209 has severe noise.
도 6b의 신호에는 기준선 드리프트 문제가 있다는 것을 주목하라. 도 6b 및 도 7에서 본 발명에 의한 방법이 기준선 드리프트, 높은 피크 T파 및 심각한 노이즈가 있는 ECG 신호의 QRS 검출에 안정적이라는 것을 알 수 있다. 또한 시간 소비 테스트가 수행된다. 테스트 세트의 기록에 대한 평균 처리 시간은 16.42분이고 5000개 샘플의 세그먼트에 대한 평균 처리 시간은 1.23초이다.Note that the signal in Fig. 6b has a baseline drift problem. From Fig. 6b and Fig. 7, it can be seen that the method according to the present invention is stable for QRS detection of ECG signals with baseline drift, high peak T wave and severe noise. In addition, time-consuming tests are performed. The average processing time for the records of the test set is 16.42 minutes, and the average processing time for a segment of 5000 samples is 1.23 seconds.
본 발명에 의한 방법의 주요 아이디어는 U-Net 모델을 사용하여 ECG 신호 특징을 자동으로 추출한 다음 DBSCAN으로 QRS 복합의 위치를 *-*검출하는 것이다. 기존 QRS 검출 알고리즘은 일반적으로 노이즈 감소를 위한 추가 전처리 단계가 필요하고 QRS 복합의 특성 및 매개변수를 사전 설정해야 하므로 다양한 유형의 신호 및 노이즈에 대한 적응성이 좋지 않다. 본 발명에서 제안하는 U-Net 기반 방법은 전처리 단계가 적고 검출 정확도가 높아 다양한 ECG 신호에서 QRS 검출에 적합하다.The main idea of the method by the present invention is to automatically extract ECG signal features using the U-Net model, and then detect the location of the QRS complex by DBSCAN. Existing QRS detection algorithms generally require additional preprocessing steps for noise reduction and the characteristics and parameters of the QRS complex need to be preset, so they have poor adaptability to various types of signals and noises. The U-Net-based method proposed in the present invention has fewer preprocessing steps and higher detection accuracy, making it suitable for QRS detection in various ECG signals.
본 발명에서는 U-Net 모델과 DBSCAN의 병합 방법을 발명하고 ECG 신호의 QRS 검출에 이 방법의 타당성을 보여준다. 기존의 방법과 달리 U-Net 모델은 몇 가지 전처리 단계와 수동 설정으로 자동으로 특징을 추출할 수 있다. U-Net 예측 후 DBSCAN은 QRS 복합의 수와 길이를 모른 채 R-피크를 찾기 위해 클러스터를 생성하는 데 적합하다. 실험은 이 방법이 QRS 복합을 정확하고 자동으로 검출할 수 있음을 보여준다. MITDB에서 제안한 방법의 평균 민감도, 양성 예측도, 정확도 및 F1 점수는 각각 최대 99.98%, 99.95%, 99.93% 및 99.97%이다. 제안된 접근 방식은 다른 기존 방법과 비교하여 유사한 결과를 산출한다. 전반적인 성능을 위해 본 발명에 의한 방법은 정확도와 F1 점수 면에서 훨씬 더 나은 결과를 얻는다. 실험 결과는 본 발명에 의한 방법이 ECG 신호에서 QRS 검출에 실현 가능함을 보여준다.In this invention, we propose a method of merging U-Net model and DBSCAN and demonstrate the feasibility of this method for QRS detection in ECG signals. Unlike the existing methods, the U-Net model can automatically extract features with several preprocessing steps and manual settings. After U-Net prediction, DBSCAN is suitable for clustering to find R-peaks without knowing the number and length of QRS complexes. The experiments show that this method can accurately and automatically detect QRS complexes. The average sensitivity, positive predictive value, accuracy and F1 score of the proposed method in MITDB are up to 99.98%, 99.95%, 99.93% and 99.97%, respectively. The proposed approach yields similar results compared to other existing methods. In terms of overall performance, the method by the present invention obtains much better results in terms of accuracy and F1 score. The experimental results show that the method by the present invention is feasible for QRS detection in ECG signals.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.Although the present invention has been described in detail through specific examples, this is intended to specifically explain the present invention, and the present invention is not limited thereto, and it will be apparent that modifications or improvements can be made by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications or changes of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific protection scope of the present invention will be made clear by the appended claims.
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300 : 코딩 경로부 302 : 디코딩 경로부
800 : 정규화부 802 : U-Net 모델
804 : 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링부300: Coding path section 302: Decoding path section
800: Normalization part 802: U-Net model
804: Density-based spatial clustering with noise
Claims (10)
(B) 유-넷(U-Net) 모델이, 상기 정규화된 심전도 신호로부터 QRS 복합의 예측 위치를 나타내는 양성 출력을 임계값에 기반하여 처리하고 생성하는 단계; 및
(C) 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링부(DBSCAN)가, 상기 유-넷(U-Net) 모델의 양성 출력을 클러스터링하여 QRS 복합을 검출하는 단계를 포함하고,
상기 단계 (C)에서, 상기 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링부는, 상기 유-넷(U-Net) 모델의 양성 출력을 복수의 클러스터로 클러스터링한 후, 상기 복수의 클러스터의 중간 지점을 R-피크의 위치로 결정함으로써 상기 QRS 복합을 검출하며,
상기 유-넷(U-Net) 모델은,
상기 정규화된 심전도 신호에 대해 컨벌루션 및 맥스-풀링(Max-pooling)을 반복적으로 수행하여 상기 정규화된 심전도 신호의 특징 맵을 획득하는 코딩 경로부; 및
상기 코딩 경로부에서 출력되는 특징 맵에 대해 업샘플링 및 컨벌루션을 반복적으로 수행하여 상기 QRS 복합의 예측 위치를 나타내는 양성 출력을 생성하는 디코딩 경로부를 포함하는, 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법.
(A) A normalization step in which the input original electrocardiogram (ECG) signal is normalized using the Z-score method;
(B) a step of the U-Net model processing and generating a positive output indicating the predicted location of the QRS complex from the normalized electrocardiogram signal based on a threshold; and
(C) a density-based spatial clustering unit (DBSCAN) applying noise includes a step of clustering positive outputs of the U-Net model to detect QRS complexes,
In the above step (C), the density-based spatial clustering unit applying the noise detects the QRS complex by clustering the positive output of the U-Net model into multiple clusters and then determining the midpoint of the multiple clusters as the location of the R-peak.
The above U-Net model is,
A coding path section that repeatedly performs convolution and Max-pooling on the normalized ECG signal to obtain a feature map of the normalized ECG signal; and
A method for detecting QRS of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis, comprising a decoding path section that repeatedly performs upsampling and convolution on a feature map output from the above coding path section to generate a positive output indicating a predicted location of the QRS complex.
상기 컨벌루션은 13×1 컨벌루션을 포함하는, 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법.In claim 1,
A method for detecting QRS of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis, wherein the above convolution includes a 13×1 convolution.
상기 유-넷(U-Net) 모델은 과적합을 회피하기 위하여, 드롭아웃(Dropout) 레이어를 포함하는, 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 방법.In claim 1,
The above U-Net model is a method for detecting QRS of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis, including a dropout layer to avoid overfitting.
상기 정규화된 심전도 신호로부터 QRS 복합의 예측 위치를 나타내는 양성 출력을 생성하는 유-넷(U-Net) 모델; 및
상기 유-넷(U-Net) 모델의 양성 출력을 클러스터링하여 QRS 복합을 검출하는 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링부(DBSCAN)를 포함하고,
상기 노이즈를 적용한 밀도 기반 공간 클러스터링부는, 상기 유-넷(U-Net) 모델의 양성 출력을 임계값에 기반하여 처리하고 복수의 클러스터로 클러스터링한 후, 상기 복수의 클러스터의 중간 지점을 R-피크의 위치로 결정함으로써 상기 QRS 복합을 검출하며,
상기 유-넷(U-Net) 모델은,
상기 정규화된 심전도 신호에 대해 컨벌루션 및 맥스-풀링(Max-pooling)을 반복적으로 수행하여 상기 정규화된 심전도 신호의 특징 맵을 획득하기 위한 코딩 경로부; 및
상기 코딩 경로부에서 출력되는 특징 맵에 대해 업샘플링 및 컨벌루션을 반복적으로 수행하여 상기 QRS 복합의 예측 위치를 나타내는 양성 출력을 생성하는 디코딩 경로부를 포함하는, 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 장치.A normalization unit that normalizes the input original electrocardiogram (ECG) signal using the Z-score method;
A U-Net model that generates a positive output indicating the predicted location of the QRS complex from the normalized electrocardiogram signal; and
It includes a density-based spatial clustering unit (DBSCAN) that applies noise to detect QRS complexes by clustering the positive output of the above U-Net model,
The density-based spatial clustering unit applying the above noise processes the positive output of the U-Net model based on a threshold value and clusters it into multiple clusters, and then detects the QRS complex by determining the midpoint of the multiple clusters as the location of the R-peak.
The above U-Net model is,
A coding path section for repeatedly performing convolution and Max-pooling on the normalized ECG signal to obtain a feature map of the normalized ECG signal; and
A QRS detection device of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis, comprising a decoding path section that repeatedly performs upsampling and convolution on a feature map output from the above coding path section to generate a positive output indicating a predicted location of the QRS complex.
상기 컨벌루션은 13×1 컨벌루션을 포함하는, 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 장치.In claim 6,
A QRS detection device of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis, wherein the above convolution includes a 13×1 convolution.
상기 유-넷(U-Net) 모델은 과적합을 회피하기 위하여, 드롭아웃(Dropout) 레이어를 포함하는, 심장 진단을 위한 심전도 신호의 QRS 검출 장치.In claim 6,
The above U-Net model is a QRS detection device of an electrocardiogram signal for cardiac diagnosis, which includes a dropout layer to avoid overfitting.
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