KR102592050B1 - A portable ECG electrode and an ECG measurement system for small animals - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소동물의 ECG 신호를 수집하면서 동시에 움직임에 따른 가속도/각속도를 측정하여 데이터를 수집하고, 측정된 심전도 신호에 FIR BPF 및 적응형 필터를 적용하고, QRS파(QRS complex)에 의한 R 피크를 검출하여 심박수를 추출하는, 소동물용 휴대용 심전도 전극 및 심전도 측정 시스템에 관한 것으로서, 소동물에 부착되는 심전도 전극; 상기 심전도 전극으로부터 소동물의 심전도 신호를 수신하는 심전도 측정 모듈; 상기 심전도 측정 모듈로부터 심전도 데이터를 수집하고, 3축의 가속도센서 및 각속도(자이로스코프) 센서를 내장하여, 움직임에 따른 가속도/각속도를 측정하는 데이터 수집 시스템; 및, 측정된 심전도 신호에 FIR BPF 및 적응형 필터를 적용하고, QRS파(QRS complex)를 감지하고, 최종적으로 R 피크를 검출하여 심박수를 추출하는 신호처리부를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 시스템에 의하여, 소동물의 ECG 신호를 수집하면서 동시에 움직임에 따른 가속도/각속도를 측정하여 데이터를 수집함으로써, 소동물이 다양한 활동을 하더라도 보다 정확하게 심전도를 측정할 수 있고, FIR BPF 및 적응형 필터를 적용하고 QRS파(QRS complex)를 감지함으로써, 여러 형태의 잡음을 제거하여 다양한 잡음에 대해서도 강인한 성능을 가질 수 있다.
The present invention collects data by simultaneously measuring acceleration/angular velocity according to movement while collecting ECG signals of small animals, applies FIR BPF and adaptive filter to the measured ECG signal, and R by QRS complex (QRS complex) It relates to a portable electrocardiogram electrode and electrocardiogram measurement system for small animals that detect peaks and extract heart rate, comprising: an electrocardiogram electrode attached to a small animal; An electrocardiogram measurement module that receives electrocardiogram signals of small animals from the electrocardiogram electrodes; A data collection system that collects ECG data from the ECG measurement module and has a built-in 3-axis acceleration sensor and angular velocity (gyroscope) sensor to measure acceleration/angular velocity according to movement; And, a configuration including a signal processing unit that applies FIR BPF and an adaptive filter to the measured ECG signal, detects the QRS complex, and finally detects the R peak to extract the heart rate.
By using the above system, ECG signals of small animals are collected and data is collected by measuring acceleration/angular velocity according to movement at the same time, so the ECG can be measured more accurately even when small animals engage in various activities, and FIR BPF and adaptation By applying a type filter and detecting the QRS complex, it is possible to remove various types of noise and have robust performance against various noises.
Description
본 발명은 소동물의 ECG 신호를 수집하면서 동시에 움직임에 따른 가속도/각속도를 측정하여 데이터를 수집하고, 측정된 심전도 신호에 FIR BPF 및 적응형 필터를 적용하고, QRS파(QRS complex)에 의한 R 피크를 검출하여 심박수를 추출하는, 소동물용 휴대용 심전도 전극 및 심전도 측정 시스템에 관한 것이다.The present invention collects data by simultaneously measuring acceleration/angular velocity according to movement while collecting ECG signals of small animals, applies FIR BPF and adaptive filter to the measured ECG signal, and R by QRS complex (QRS complex) It relates to a portable electrocardiogram electrode and electrocardiogram measurement system for small animals that detect peaks and extract heart rate.
최근 애완동물 관련시장은 매년 급격한 성장률을 보이고 있다. 애완동물 관련시장 증가요인으로는 사회적 요인과 애완동물에 대한 의식 변화가 있다. 사회적 요인은 고령화 인구구조, 독신가구 증가 및 스트레스가 증가하는 사회구조가 주로 대두되고 있다. 애완동물을 가족 구성원, 동반자 혹은 파트너로 인식하는 추세이다.Recently, the pet-related market is showing rapid growth every year. Factors driving the growth of the pet-related market include social factors and changes in awareness about pets. Social factors are mainly emerging as an aging population structure, an increase in single households, and a social structure with increasing stress. There is a trend to recognize pets as family members, companions, or partners.
반려동물을 키우는 사람이 늘면서 반려동물 산업도 가파르게 성장하고 있다. 애완견 전용 미용실, 애완견 장례식장, 애완견 전용 호텔, 애견 카페 등이 새로운 블루오션 사업으로 급부상하고 있다. 최근에는 반려동물 산업에 '케어'와 '웰빙' 중심의 프리미엄 바람까지 가세하고 있다. 즉, 반려동물에 대한 인식 수준이 높아지면서 반려동물 산업에 케어와 웰빙 중심의 프리미엄 바람이 불고 있다. As the number of people raising pets increases, the pet industry is also growing rapidly. Dog-only beauty salons, dog funeral homes, dog-only hotels, and dog cafes are rapidly emerging as new blue ocean businesses. Recently, the premium trend centered on ‘care’ and ‘well-being’ is gaining momentum in the pet industry. In other words, as the level of awareness about companion animals increases, a premium trend centered on care and well-being is blowing in the companion animal industry.
또한, 반려동물 사료와 동물용품뿐 아니라 의료서비스도 프리미엄화되고 있다. 일례로서, 진료과목을 세분화한 전문 동물의료원을 비롯해 호텔, 유치원, 미용실 등 반려동물 관련 서비스를 원스톱으로 제공하는 서비스가 등장하고 있다. 대형동물병원에는 반려동물의 정확한 진단을 위한 첨단 MRI가 설치된 곳도 있다. 반려동물의 당뇨를 체크하는 동물 전용 당뇨측정기도 시중에서 인기를 끌고 있다.In addition, not only pet food and animal supplies but also medical services are becoming premium. For example, services that provide one-stop pet-related services such as specialized veterinary clinics with specialized treatment areas, hotels, kindergartens, and beauty salons are emerging. Some large animal hospitals are equipped with state-of-the-art MRI equipment for accurate diagnosis of companion animals. Diabetes monitors specifically designed for animals to check diabetes in pets are also gaining popularity in the market.
또한, 반려동물 의료기기는 인위용 의료기기에 비하여 가격대가 2-3배 이상 높게 책정되어 있어서 판매에 따른 마진율이 높은 고부가치 산업이다. 또한, 개를 중심으로 반려동물의 노령화가 빠르게 진행되고 있고 이에 따라 노인성 질환인 심장병이나 종양성 질환환자 수가 빠르게 늘고 있다.In addition, pet medical devices are priced 2-3 times higher than artificial medical devices, making them a high-value industry with high sales margins. In addition, the aging of companion animals, especially dogs, is rapidly progressing, and as a result, the number of patients with geriatric diseases such as heart disease or neoplastic disease is rapidly increasing.
현재 동물용 의료기기의 가장 큰 문제점은 사람용으로 제작된 의료기기를 단순히 겉모양만 바꾸어서 동물용 의료기기라고 팔고 있기 때문에 여러 가지 파라미터를 사람의 수치를 사용하여 그 정확도와 검사의 신뢰도에 심각한 오류가 발생하고 있다.The biggest problem with current veterinary medical devices is that medical devices made for human use are simply changed in appearance and sold as veterinary medical devices. Therefore, human values are used for various parameters, resulting in serious errors in the accuracy and reliability of the test. is occurring.
심전도 검사는 심장질환 환축의 기본 검사일 뿐아니라 수술을 위한 마취에 앞서 반드시 실시되어야 하는 검사이다. 수술 후에도 입원 환축의 실시간 검사에 반드시 필요하다.An electrocardiogram test is not only a basic test for heart disease patients, but is also a test that must be performed before anesthesia for surgery. It is essential for real-time examination of hospitalized patients even after surgery.
하지만, 국내/외 동물병원의 경우에는 입원 환축의 상태 검사를 위하여 수의사/간호사가 반드시 옆에서 지켜볼 수 밖에 없는 현실로서, 수술 후 입원한 환축의 생체신호 검사 기기가 스마트폰 앱으로 신호를 전달하여 전문의에게 알람을 알리는 시스템이 필요하다.However, in the case of domestic and foreign animal hospitals, veterinarians/nurses have no choice but to watch from the side to check the condition of hospitalized animals, and a device that tests vital signs of patients hospitalized after surgery transmits signals to a smartphone app. Therefore, a system is needed to notify specialists of the alarm.
이를 위해, 반려 동물 등에 부착하여 심전도를 측정하고자 하는 기술들이 제시되고 있다[특허문헌 1,2].For this purpose, technologies for measuring electrocardiograms by attaching them to companion animals, etc. are being proposed [Patent Documents 1, 2].
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 데이터 수집 장치에 심전도 전극으로부터 심전도를 측정하는 센서와, 3축의 가속도센서 및 각속도(자이로스코프) 센서를 내장하여, 소동물의 ECG 신호를 수집하면서 동시에 움직임에 따른 가속도/각속도를 측정하여 데이터를 수집하는, 소동물용 휴대용 심전도 전극 및 심전도 측정 시스템을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to solve the problems described above, and the data collection device is equipped with a sensor that measures the electrocardiogram from electrocardiogram electrodes, a 3-axis acceleration sensor, and an angular velocity (gyroscope) sensor, so as to collect the ECG signal of a small animal. The aim is to provide a portable electrocardiogram electrode and electrocardiogram measurement system for small animals that collects data by simultaneously measuring acceleration/angular velocity according to movement.
또한, 본 발명의 목적은 측정된 심전도 신호에 FIR BPF 및 적응형 필터를 적용하고, QRS파(QRS complex)를 감지하고, 최종적으로 R 피크를 검출하여 심박수를 추출하는, 소동물용 휴대용 심전도 전극 및 심전도 측정 시스템을 제공하는 것이다.In addition, the purpose of the present invention is to apply FIR BPF and adaptive filter to the measured ECG signal, detect the QRS complex, and finally detect the R peak to extract the heart rate, a portable ECG electrode for small animals. and providing an electrocardiogram measurement system.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 소동물용 휴대용 심전도 전극 및 심전도 측정 시스템에 관한 것으로서, 소동물에 부착되는 심전도 전극; 상기 심전도 전극으로부터 소동물의 심전도 신호를 수신하는 심전도 측정 모듈; 상기 심전도 측정 모듈로부터 심전도 데이터를 수집하고, 3축의 가속도센서 및 각속도(자이로스코프) 센서를 내장하여, 움직임에 따른 가속도/각속도를 측정하는 데이터 수집 시스템; 및, 측정된 심전도 신호에 FIR BPF 및 적응형 필터를 적용하고, QRS파(QRS complex)를 감지하고, 최종적으로 R 피크를 검출하여 심박수를 추출하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention relates to a portable electrocardiogram electrode and electrocardiogram measurement system for small animals, comprising: an electrocardiogram electrode attached to a small animal; An electrocardiogram measurement module that receives electrocardiogram signals of small animals from the electrocardiogram electrodes; A data collection system that collects ECG data from the ECG measurement module and has a built-in 3-axis acceleration sensor and angular velocity (gyroscope) sensor to measure acceleration/angular velocity according to movement; And, it is characterized by including a signal processing unit that applies FIR BPF and adaptive filter to the measured ECG signal, detects QRS complex, and finally detects R peak to extract heart rate.
또한, 본 발명은 소동물용 휴대용 심전도 전극 및 심전도 측정 시스템에 있어서, 상기 심전도 전극은 고탄력 신축사로 3차원 직조된 원단으로 구성된 패브릭기재, 엘라스토머와 점착부여 수지로 구성된 점착제, 중박리 타입을 사용한 이형지로 구성된 전극패턴 고정용 점착 패드를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention relates to a portable electrocardiogram electrode and electrocardiogram measurement system for small animals, wherein the electrocardiogram electrode includes a fabric base composed of a fabric woven three-dimensionally with highly elastic stretch yarn, an adhesive composed of an elastomer and an adhesive resin, and a release paper using a medium-release type. It is characterized by having an adhesive pad for fixing the electrode pattern consisting of.
또한, 본 발명은 소동물용 휴대용 심전도 전극 및 심전도 측정 시스템에 있어서, 상기 데이터 수집 시스템은 주 제어장치로 기능하는 제어모듈, ECG 생체 신호 검출을 위한 전극/케이블과 연결되어 아날로그 프론트(analog front) 모듈의 기능을 담당하는 AD모듈, 및, 동물의 움직임을 감지하는 모션센서 보드로 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention relates to a portable electrocardiogram electrode and electrocardiogram measurement system for small animals, wherein the data collection system is connected to a control module functioning as a main control device and electrodes/cables for detecting ECG biosignals to form an analog front. It is characterized by being composed of an AD module, which is responsible for the module's functions, and a motion sensor board that detects the movement of the animal.
또한, 본 발명은 소동물용 휴대용 심전도 전극 및 심전도 측정 시스템에 있어서, 상기 적응형 필터의 계수는 정규 LMS(NLMS; normalized LMS)에 의해 산출한 후, 다음 [수식 1]을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention relates to a portable electrocardiogram electrode and electrocardiogram measurement system for small animals, in which the coefficients of the adaptive filter are calculated by normalized LMS (NLMS) and then calculated using the following [Equation 1]. It is characterized by
[수식 1][Formula 1]
단, u(n)은 입력 신호, e(n)은 에러 신호로 원하는 신호 d(n)과 필터 출력 신호 y(n)의 차이 값, w는 필터 계수들, 그리고 μ는 학습계수이고, 필터 출력 신호 y(n) = wT(n)u(n)이고, u(n) = [u(n)…u(n-N+1)]이고N은 필터 길이 파라미터임. However, u(n) is the input signal, e(n) is the error signal, the difference between the desired signal d(n) and the filter output signal y(n), w is the filter coefficients, and μ is the learning coefficient, and the filter The output signal y(n) = wT(n)u(n), and u(n) = [u(n)… u(n-N+1)] and N is the filter length parameter.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 소동물용 휴대용 심전도 전극 및 심전도 측정 시스템에 의하면, 소동물의 ECG 신호를 수집하면서 동시에 움직임에 따른 가속도/각속도를 측정하여 데이터를 수집함으로써, 소동물이 다양한 활동을 하더라도 보다 정확하게 심전도를 측정할 수 있는 효과가 얻어진다.As described above, according to the portable electrocardiogram electrode and electrocardiogram measurement system for small animals according to the present invention, data is collected by collecting ECG signals of small animals and simultaneously measuring acceleration/angular velocity according to movement, thereby allowing small animals to participate in various activities. Even so, the effect of being able to measure the electrocardiogram more accurately is obtained.
본 발명에 따른 소동물용 휴대용 심전도 전극 및 심전도 측정 시스템에 의하면, ECG 신호 측정을 위한 FIR BPF 및 적응형 필터를 적용하고 QRS파(QRS complex)를 감지함으로써, 여러 형태의 잡음을 제거하여 다양한 잡음에 대해서도 강인한 성능을 가지는 효과가 얻어진다.According to the portable ECG electrode and ECG measurement system for small animals according to the present invention, various types of noise are removed by applying FIR BPF and adaptive filter for ECG signal measurement and detecting QRS complex. The effect of having robust performance is obtained even against .
도 1는 본 발명에 따른 전체적인 시스템의 구성에 대한 블록도.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 AD모듈 회로도.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 AD모듈의 연속변환모드의 타이밍 다이어그램.
도 4은 본 발명의 실험에 따른 여러 샘플링 주파수(125Hz, 250Hz, 500Hz)에 대한 ECG 신호 파형을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 실험에 따른 피험자1의 가만히 누워 있을 때의 ECG, 가속도, 각속도 값을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 실험에 따른 피험자1의 좌/우 옆 구르기 할 때의 ECG, 가속도, 각속도 값을 나타낸 그래프.
도 7는 본 발명의 실험에 따른 피험자1의 걸을 때의 ECG, 가속도, 각속도 값을 나타낸 그래프.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 QRS파(QRS complex)의 검출 방법을 설명하는 흐름도.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 128탭 FIR 필터의 구성에 대한 블록도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 설계한 FIR BPF의 주파수 특성에 대한 그래프.
도 11은 본 발명의 실험에 따른 FIR필터의 적용 전과 적용 후의 그래프(500Hz 샘플링 주파수).
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 적응형 필터의 구성에 대한 블록도.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 QRS 검출 방법을 설명하는 흐름도.
도 14은 본 발명의 일실시예에 따른 ECG 신호에 영향을 주는 요인 및 잡음의 주파수 범위를 나타낸 표.
도 15는 본 발명의 실험에 따른 잡음이 있는 ECG 신호로서, 여러 잡음 파형 및 이상적 ECG 신호에 대한 그래프.
도 16은 본 발명의 실험에 따른 FIR BPF 입력 및 출력 신호 파형(상세 파형)에 대한 그래프.
도 17는 본 발명의 실험에 따른 적응형 필터의 성능 결과를 나타낸 그래프.
도 18는 본 발명의 실험에 따른 FIR BPF+적응필터(Adaptive filter)를 적용한 결과에 대한 그래프.
도 19은 본 발명의 실험에 따라, 본 발명에 따른 신호처리방법에 의한 R 피크 검출 결과를 나타낸 그래프.1 is a block diagram of the overall system configuration according to the present invention.
Figure 2 is a circuit diagram of an AD module according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a timing diagram of the continuous conversion mode of the AD module according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph showing ECG signal waveforms for various sampling frequencies (125Hz, 250Hz, 500Hz) according to the experiment of the present invention.
Figure 5 is a graph showing the ECG, acceleration, and angular velocity values of Subject 1 when lying still according to the experiment of the present invention.
Figure 6 is a graph showing ECG, acceleration, and angular velocity values when Subject 1 rolls left and right according to the experiment of the present invention.
Figure 7 is a graph showing the ECG, acceleration, and angular velocity values of Subject 1 when walking according to the experiment of the present invention.
Figure 8 is a flowchart illustrating a method for detecting a QRS complex according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a block diagram of the configuration of a 128-tap FIR filter according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a graph of the frequency characteristics of an FIR BPF designed according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 is a graph (500Hz sampling frequency) before and after application of the FIR filter according to the experiment of the present invention.
Figure 12 is a block diagram of the configuration of an adaptive filter according to an embodiment of the present invention.
13 is a flowchart illustrating a QRS detection method according to an embodiment of the present invention.
Figure 14 is a table showing the frequency range of factors and noise affecting the ECG signal according to an embodiment of the present invention.
15 is a noisy ECG signal according to an experiment of the present invention, a graph of various noise waveforms and an ideal ECG signal.
16 is a graph of FIR BPF input and output signal waveforms (detailed waveforms) according to the experiment of the present invention.
Figure 17 is a graph showing the performance results of the adaptive filter according to the experiment of the present invention.
Figure 18 is a graph showing the results of applying FIR BPF + adaptive filter according to the experiment of the present invention.
Figure 19 is a graph showing the results of R peak detection by the signal processing method according to the present invention, according to the experiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.Hereinafter, specific details for implementing the present invention will be described with reference to the drawings.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.In addition, in explaining the present invention, like parts are given the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 휴대용 심전도 측정 모듈에 대하여 설명한다. 본 발명에 따른 소동물용 휴대용 심전도 측정 모듈의 기본 설계 사양은 소동물용 휴대용 심전도 하드웨어로 설계된다.First, a portable electrocardiogram measurement module according to an embodiment of the present invention will be described. The basic design specifications of the portable ECG measurement module for small animals according to the present invention are designed as portable ECG hardware for small animals.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 휴대용 심전도 전극의 구성에 대하여 설명한다.Next, the configuration of a portable electrocardiogram electrode according to an embodiment of the present invention will be described.
본 발명에 따른 휴대용 심전도 전극은 애완동물 등 소동물에게 적합한 무통형 ECG 패치 전극으로 구성된다.The portable electrocardiogram electrode according to the present invention consists of a painless ECG patch electrode suitable for small animals such as pets.
소물용 무통형 패치는 크게 심전계 전극 패턴과 심전계 전극 패치(이하 센서 고정용 점착 패드)로 구분된다. Painless patches for small objects are largely divided into electrocardiogram electrode patterns and electrocardiogram electrode patches (hereinafter referred to as adhesive pads for fixing sensors).
전극 패턴 고정용 점착 패드는 패브릭기재, 점착제, 이형지로 구성된다.The adhesive pad for fixing the electrode pattern consists of a fabric base, adhesive, and release paper.
먼저, 패브릭기재는 전극 패턴을 충분히 보호하며 고정하기 위하여 신축성이 우수한 고탄력 신축사로 3차원 직조된 원단을 사용한다.First, the fabric base uses a three-dimensional woven fabric with high elasticity and elasticity to sufficiently protect and secure the electrode pattern.
다음으로, 의료용 점착제는 일반적으로 엘라스토머와 점착부여 수지로 구성되며, 이 원리는 공업용 점착제와 기본적으로 동일하다. 소재로서는 아크릴산 에스테르를 주성분으로 하는 공중합체 및 천연고무 또는 합성고무와 점착 부여수지를 조합한 것을 사용한다.Next, medical adhesives are generally composed of elastomers and tackifying resins, and the principle is basically the same as that of industrial adhesives. As a material, a copolymer containing acrylic acid ester as a main ingredient and a combination of natural rubber or synthetic rubber and tackifying resin are used.
다음으로, 이형지는 일반적으로 사용되는 이형지로 중박리 타입으로 구성한다. Next, the release paper is a commonly used release paper and is made of a medium-release type.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 동물 심전도의 HR 감지 방법에 대하여 설명한다.Next, a method for detecting HR in an animal electrocardiogram according to an embodiment of the present invention will be described.
먼저, 소동물용 심전도 데이터 수집 시스템에 대하여 설명한다.First, the electrocardiogram data collection system for small animals will be described.
소동물용 심전도 데이터 수집 시스템은 3개의 주요한 모듈로 구성된다. 주 제어장치로 기능하는 평가보드(이하 이 보드를 제어모듈로 칭함), ECG 생체 신호 검출을 위한 전극/케이블과 연결되어 아날로그 프론트(analog front) 모듈의 기능을 담당하는 AD모듈, 그리고 동물의 움직임을 감지하는 모션센서 보드(이하 모션모듈) 등 3개의 보드로 구성되어 있다.The ECG data acquisition system for small animals consists of three main modules. An evaluation board that functions as the main control device (hereinafter, this board is referred to as a control module), an AD module that is connected to electrodes/cables for ECG bio-signal detection and functions as an analog front module, and animal movement. It consists of three boards, including a motion sensor board (hereinafter referred to as motion module) that detects.
도 1에서 보는 바와 같이, 전체 시스템의 동작과 연결 정보는 그림3과 같으며 수집 시스템과 USB 인터페이스로 연결된 PC에 일정 샘플링 시간마다 측정한 데이터들을 가상COM 포트(port)로 발송하면, PC에서는 이 값을 수신하여 저장하는 방식으로 동작한다.As shown in Figure 1, the operation and connection information of the entire system are as shown in Figure 3. When the measured data is sent to the virtual COM port at a certain sampling time to the PC connected to the collection system and the USB interface, the PC It operates by receiving and storing values.
다음으로, ECG 신호 측정을 위한 AD모듈에 대하여 설명한다.Next, the AD module for measuring ECG signals will be described.
AD모듈은 ECG 생체 신호에 적합한 앰프를 내장하고 있고 이 신호의 AD변환도 수행하고 이 결과를 SPI 통신 방법으로 MCU에 발송하는 기능을 가진다.The AD module has a built-in amplifier suitable for ECG biosignals and has the function of performing AD conversion of these signals and sending the results to the MCU through SPI communication.
이 AD모듈(평가보드)은 RS-232C 커넉터를 통해 연결된 4개 전극을 사용해 내장된 제어기(MCU) SPI 통신을 수행해 얻은 ECG 데이터를 USB(가상 시리얼 포트)를 통해 연결된 PC로 전송하는 기능을 수행한다.This AD module (evaluation board) has the function of transmitting ECG data obtained by performing SPI communication with the built-in controller (MCU) using 4 electrodes connected through an RS-232C connector to a PC connected through USB (virtual serial port). Perform.
하지만 위 프로그램은 일정 샘플 개수를 획득하여 획득한 데이터를 후 처리 하는 방식으로 실시간 신호처리가 필요한 본 발명에는 적합하지 않다. 따라서 본 연구에서는 이 평가보드에서 적절한 신호선을 주제어 모듈과 연결하여 전체 시스템을 구성한다.However, the above program acquires a certain number of samples and post-processes the acquired data, so it is not suitable for the present invention, which requires real-time signal processing. Therefore, in this study, the entire system is constructed by connecting appropriate signal lines from this evaluation board to the main control module.
다음으로, 제어모듈과 AD모듈 사이의 SPI 통신에 대하여 설명한다.Next, SPI communication between the control module and AD module will be explained.
AD모듈은 변환한 데이터를 MCU에 전송하는 방식으로 연속변환 모드(Continuous conversion mode)는 AD모듈에 내장되어 있는 하드웨어 타이머를 사용하여 일정한 샘플링 시간마다 AD 변환을 수행하고 결과값을 통신 채널로 연속적으로 전송하는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 수집 시스템은 연속변환 모드(Continuous conversion mode)를 사용한다.The AD module transmits the converted data to the MCU. Continuous conversion mode uses a hardware timer built into the AD module to perform AD conversion at certain sampling times and continuously transmits the result through a communication channel. It means transmitting. The collection system according to the present invention uses a continuous conversion mode.
도 3는 연속변환 모드(Continuous conversion mode)의 타이밍 다이어그램을 나타낸 것으로 제어모듈이 START 신호선을 H로 출력하면 실제 변환 동작을 연속으로 실행한다. 변환이 완료되면 /DRDY (Data Ready negative) 신호선이 L로 되고 이 신호를 제어모듈이 읽으면(실제로는 인터럽트 방식으로 처리) 새로운 샘플링 시간이 된 것을 의미한다. 이후 바로 /CS(chip select negative) 신호선을 L로 만들고 동시에 SPI 통신기를 활성화시켜 클럭 신호를 발송하며 AD모듈로부터 데이터를 읽어 온다. 이때의 데이터는 상태 레지스터(Status Register)와 2 채널의 데이터(Data)이다. 상태 레지스터(Status Register) 값을 이용해 는 전극의 연결 상태 및 특정비트로 가져온 데이터 패킷이 올바른 데이터인지를 확인할 수 있다. 2개의 채널 중 첫 번째 채널은 호흡에 관련된 데이터이며, 두 번째 채널이 심전도에 관련된 데이터이다.Figure 3 shows a timing diagram of the continuous conversion mode. When the control module outputs the START signal line as H, the actual conversion operation is continuously performed. When conversion is completed, the /DRDY (Data Ready negative) signal line becomes L, and when this signal is read by the control module (actually processed through an interrupt method), it means that a new sampling time has arrived. Afterwards, the /CS (chip select negative) signal line is set to L and at the same time, the SPI communicator is activated to send a clock signal and read data from the AD module. The data at this time is the status register and 2-channel data. Using the Status Register value, you can check the connection status of the electrode and whether the data packet brought to a specific bit is correct data. Of the two channels, the first channel is data related to respiration, and the second channel is data related to electrocardiogram.
다음으로, 모션모듈에 대하여 설명한다.Next, the motion module will be explained.
이 모션모듈은 기본적으로 I2C 통신 방식으로 MCU에 측정한 데이터(가속도 및 각속도 측정값)을 발송한다.This motion module basically sends measured data (acceleration and angular velocity measurements) to the MCU using I2C communication.
모션모듈은 3축의 가속도센서 및 각속도(자이로스코프) 센서를 내장하고 있으며 각 측정값을 16-bit으로 AD변환하고 이를 신호 처리하여 잡음 등을 제거(이를 담당하는 모션 프로세서를 내장하고 있음)하고 이 결과값을 I2C 통신 방식으로 MCU에 제공하는 기능을 가진다. The motion module has a built-in 3-axis acceleration sensor and angular velocity (gyroscope) sensor, converts each measurement value into 16-bit AD, processes it into a signal to remove noise, etc. (it has a built-in motion processor responsible for this) and It has the function of providing the result to the MCU through I2C communication.
개발 완료된 수집시스템의 제어모듈과는 I2C 통신 방식으로 연결되어 있으며 상기한 바와 같이 AD모듈이 만드는 매 샘플링 시간마다 I2C 통신기를 활성화 시켜 모션모듈로부터 가속도와 각속도 데이터를 읽어온다. 제어모듈은 수집한 데이터들을 일정한 순서로 시리얼 통신기를 이용하여 PC로 발송한다. 실제 제어모듈은 serial-USB 변환 장치를 이용하여 가상시리얼 통신 포트를 가지며 이를 통해 PC로 연결된 USB 커넥터를 통해 데이터를 전송한다. 시리얼 통신 프로토콜은 115200bps의 속도에 8-N-1 (8bit data, No parity, 1 stop bit) 방식을 이용한다.It is connected to the control module of the developed acquisition system through I2C communication, and as described above, the I2C communicator is activated at every sampling time created by the AD module to read acceleration and angular velocity data from the motion module. The control module sends the collected data to the PC using a serial communicator in a certain order. The actual control module has a virtual serial communication port using a serial-USB conversion device and transmits data through a USB connector connected to the PC. The serial communication protocol uses the 8-N-1 (8bit data, No parity, 1 stop bit) method at a speed of 115200bps.
다음으로, 본 발명에 따른 데이터 수집 시스템에 대한 실험 및 그 효과에 대하여 설명한다.Next, experiments on the data collection system according to the present invention and its effects will be described.
본 발명에 따른 수집시스템의 성능 검증을 위해 사람을 대상으로 실험을 수행하였다. 심전도 전극의 종류에는 패치형과 클립형이 있는데 본 발명에서는 동물형 패치형 전극과 동일하게 패치형 전극을 사용하였다.To verify the performance of the collection system according to the present invention, an experiment was performed on humans. There are two types of ECG electrodes: patch type and clip type. In the present invention, patch type electrodes were used in the same way as animal patch type electrodes.
먼저, 여러 샘플링 주기에 대한 실험을 실시하였다.First, experiments were conducted on several sampling cycles.
데이터 분석을 위해 125, 250, 500Hz 샘플링 주파수로 AD모듈을 설정하고 기본 데이터 수집 실험을 진행하였다. 그 결과를 도 4a에 기술하였다. 도 4에서 보여주는 것처럼 큰 샘플링 주파수를 가질수록 60Hz의 전원잡음이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.For data analysis, the AD module was set to sampling frequencies of 125, 250, and 500 Hz and a basic data collection experiment was conducted. The results are depicted in Figure 4a. As shown in Figure 4, it can be seen that the larger the sampling frequency, the larger the 60Hz power noise.
다음으로, 모션센서의 출력에 대한 수집 성능을 검사하였다. 상기한 것처럼 AD모듈과 모션센서에서 수집한 데이터를 동시에 PC에 전송하여 기록하는 것이 수집시스템의 주요 기능이다.Next, the collection performance of the motion sensor's output was examined. As mentioned above, the main function of the collection system is to simultaneously transmit and record data collected from the AD module and motion sensor to a PC.
이 실험은 위와 동일하게 흉부에 부착된 패치형 전극을 이용하였고 피험자가 다양한 활동(가만히 누워있기, 옆 구르기, 걷기 등)을 하면서 수집한 데이터이다. 모션 데이터는 가속도, 각속도 각각 3개의 값(x,y,z 축)을 가지는데 그 크기의 변화가 활동 변화를 잘 반영하므로 3개 값의 놈(norm) 값(즉 벡터의 크기)을 계산하여 이를 도시하였다.This experiment used patch-type electrodes attached to the chest in the same way as above, and data was collected while the subject engaged in various activities (lying still, rolling over, walking, etc.). Motion data has three values (x, y, and z axes) of acceleration and angular velocity, and since changes in their size well reflect changes in activity, the norm value (i.e. the size of the vector) of the three values is calculated. This is shown.
먼저, 도 5에 피험자1이 가만히 누워있을 때의 측정값들을 도시하였다. 가속도와 각속도 벡터값이 보여주는 것처럼 초기 눕는 동작할 때는 일정 크기의 변화를 보이다가 이후 매우 적은 크기의 값만을 보여주고 있다. 이는 가만히 움직이지 않는다는 것을 잘 반영하는 것이다.First, Figure 5 shows the measured values when Subject 1 was lying still. As the acceleration and angular velocity vector values show, there is a certain amount of change during the initial lying down motion, but then only very small values are shown. This reflects well that it does not move still.
다음으로 도 6은 피험자가 누워 있는 상태에서 좌/우로 몸을 돌리는 동작을 했을 때의 결과 그래프이다. 먼저 각속도 값이 큰 값으로 변화하는 것을 보여준다. 이를 통해 피험자가 어떻게 움직이는지를 파악할 수 있다. ECG 데이터의 경우 큰 변화는 없지만 약간의 출렁이는 변화를 보여준다.Next, Figure 6 is a graph of the results when the subject turns the body left and right while lying down. First, it shows that the angular velocity value changes to a large value. Through this, it is possible to understand how the subject moves. In the case of ECG data, there is no significant change, but it shows some fluctuating changes.
마지막으로, 도 7은 피험자가 일정한 거리를 걸을 때의 수집 데이터를 보여준다. 앞서 옆 구르기와 달리 가속도 벡터도 크게 변화하는 것을 보여주며 ECG 데이터의 변화 폭도 증가했음을 확인할 수 있다.Finally, Figure 7 shows data collected when the subject walks a certain distance. Unlike the previous sideways roll, the acceleration vector also shows a significant change, and it can be seen that the amount of change in ECG data has also increased.
결론적으로 개발한 수집 시스템은 비교적 피험자가 많이 움직이는 조건에서도 비교적 정확하게 ECG 데이터를 측정, 수집하는 성능을 보여줬다.In conclusion, the developed collection system demonstrated the ability to measure and collect ECG data relatively accurately even under conditions where the subject moves a lot.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 동물 심전도 QRS파(QRS complex)의 검출 방법에 대하여 설명한다. 즉, 앞서 데이터 수집 시스템에 의해 수집한 데이터를 이용하여 QRS파(QRS complex)를 감지하는 방법에 대해 설명한다.Next, a method for detecting an animal ECG QRS complex (QRS complex) according to an embodiment of the present invention will be described. In other words, a method of detecting the QRS complex (QRS complex) using data collected by the data collection system will be explained.
도 8와 같이, 2가지 종류의 필터를 이용하여 잡음을 제거한 후, 전통적인 신호처리 방법을 적용하고, 최종 결과물에 대해 R 피크 감지 알고리즘으로 피크를 찾아 HR을 계산하도록 구성된다.As shown in Figure 8, after removing noise using two types of filters, a traditional signal processing method is applied, and the final result is configured to find the peak using the R peak detection algorithm and calculate HR.
FIR 밴드패스필터(Band Pass Filter)의 구성에 대하여 설명한다.The configuration of the FIR Band Pass Filter will be described.
본 발명에서는 FIR(Finite Impulse Response) 형태의 디지털 필터를 사용하였다. 그 이유는 IIR 형태의 필터와 비교해서 다음과 같은 유리한 점이 있기 때문이다.In the present invention, a digital filter in the form of FIR (Finite Impulse Response) was used. The reason is that it has the following advantages compared to IIR type filters.
- 구조가 간단하다- Simple structure
- 선형 위상 특성을 가진다- Has linear phase characteristics
- 항상 안전성이 보장된다- Safety is always guaranteed
- 모든 계수의 값이 1보자 작아 DSP 사용 시 더 빠른 계산 성능을 얻을 수 있다- The values of all coefficients are 1 order of magnitude smaller, so faster calculation performance can be achieved when using DSP.
본 발명에서는 128개의 탭을 가지는 FIR BPF를 설계하였다. 도 9과 같은 128탭의 FIR 필터로 결정하였다. 즉 128개의 필터 계수와 128번째까지의 과거 데이터(delay)를 사용하는 필터인 것이다. 필터의 계수는 필터 설계 프로그램인 윈필터(WinFilter)를 사용하여 계산하였다.In the present invention, an FIR BPF with 128 taps was designed. It was decided to use a 128-tap FIR filter as shown in Figure 9. In other words, it is a filter that uses 128 filter coefficients and past data (delay) up to the 128th. The filter coefficient was calculated using WinFilter, a filter design program.
도 10은 필터의 주파수응답 및 위상응답 등을 그래프로 나타낸 도면이다. 디자인 파라미터는 Butterworth 방식으로 4Hz에서 50Hz의 cut-off 주파수를 가지도록 설계하였다.Figure 10 is a graph showing the frequency response and phase response of the filter. The design parameters were designed to have a cut-off frequency of 4Hz to 50Hz using the Butterworth method.
이렇게 설계한 FIR BPF를 앞서 설명한 수집시스템에 구현하였고 이를 적용한 실험 결과를 수집하였다. 이 결과는 도 11에 도시하였다.The FIR BPF designed in this way was implemented in the collection system described above, and the experimental results of applying it were collected. This result is shown in Figure 11.
도 11에 보인 것처럼 60Hz의 전원 전압 잡음이 이 필터에 의해 말끔하게 제거되는 것을 보여준다. 첫 번째 그래프(빨간색)가 잡음을 가진 입력 신호이고 두 번째 그래프(파란색)가 필터링된 결과 신호다.As shown in Figure 11, the 60Hz power supply voltage noise is completely removed by this filter. The first graph (red) is the input signal with noise, and the second graph (blue) is the filtered result signal.
그림 3-18 FIR필터의 적용 전과 적용 후의 그래프(500Hz 샘플링 주파수)Figure 3-18 Graph before and after application of FIR filter (500Hz sampling frequency)
다음으로, 본 발명에 따른 적응형 필터(adaptive filter)에 대해 기술한다. 먼저 적응형 필터는 시간에 따라 변화하는 잡음을 제거할 수 있는 기능을 가진 필터다. 일반적인 적응형 필터의 구성은 도 12과 같다.Next, the adaptive filter according to the present invention is described. First, an adaptive filter is a filter that has the ability to remove noise that changes over time. The configuration of a general adaptive filter is shown in Figure 12.
적응형 필터의 계수 계산은 보통 최소자승법(LMS; the least mean square)을 많이 이용한다. 이 알고리즘을 다음 수식에 기술하였다.The coefficients of adaptive filters are usually calculated using the least mean square (LMS) method. This algorithm is described in the following equation.
[수학식 1][Equation 1]
여기서 u(n)은 입력 신호, e(n)은 에러 신호로 원하는 신호 d(n)과 필터 출력 신호 y(n)의 차이 값, w는 필터 계수들, 그리고 μ는 학습계수이다. 필터 출력 신호 y(n) = wT(n)u(n) 여기서 u(n) = [u(n)…u(n-N+1)] 이고 N은 필터 길이 파라미터이다. Here, u(n) is the input signal, e(n) is the error signal, the difference between the desired signal d(n) and the filter output signal y(n), w is the filter coefficients, and μ is the learning coefficient. Filter output signal y(n) = wT(n)u(n) where u(n) = [u(n)… u(n-N+1)] and N is the filter length parameter.
그러나 이 LMS 방법은 입력 신호의 크기에 민감한 단점이 있어 정규 LMS(NLMS; normalized LMS)라는 방법이 제안되었고, 본 발명에서는 이 방법을 사용한다. 이 방법은 다음 수식과 같다.However, this LMS method has the disadvantage of being sensitive to the size of the input signal, so a method called normalized LMS (NLMS) was proposed, and this method is used in the present invention. This method is as follows:
[수학식 2][Equation 2]
본 발명에서는 필터 오더로 22로 탭 숫나는 23으로 학습계수는 0.1로 설정하였다. 이 필터의 성능은 이하에서 자세히 설명하겠다.In the present invention, the filter order was set to 22, the tap number was set to 23, and the learning coefficient was set to 0.1. The performance of this filter will be described in detail below.
다음으로, QRS검출 알고리즘에 대하여 설명한다.Next, the QRS detection algorithm will be explained.
매우 잘 알려진 이 방법은 다음 그림과 같이 단계별 신호 처리 방법으로 구성되어 있다. 본 발명에서는 이 방법을 파이썬 언어를 이용하여 처리하는 프로그램을 개발하였다. 본 발명에서는 [비특허문헌 1]에 따라 도 13에 나타낸 단계에 따라 신호를 처리하였다.This very well-known method consists of a step-by-step signal processing method as shown in the following figure. In the present invention, a program was developed to process this method using the Python language. In the present invention, the signal was processed according to the steps shown in FIG. 13 according to [Non-patent Document 1].
다음으로, 본 발명의 실험에 따른 신호처리 알고리즘의 성능 평가에 대하여 설명한다. 앞서 설명한 신호처리 알고리즘의 성능 평가 결과를 기술한다.Next, the performance evaluation of the signal processing algorithm according to the experiment of the present invention will be described. The performance evaluation results of the previously described signal processing algorithm are described.
먼저 성능 평가를 위해 컴퓨터 시뮬레이션 환경에 대해 설명한다.First, the computer simulation environment for performance evaluation is described.
특히, 이상적인 ECG 신호 및 적절한 잡음 신호 생성에 대하여 설명한다.In particular, the generation of ideal ECG signals and appropriate noise signals is explained.
적절한 잡음 섞인 ECG 신호를 만들기 위해 다음과 같은 주파수 성분을 가지는 랜덤 노이즈를 이상적인 ECG 신호에 더하였다. To create an appropriate noise-mixed ECG signal, random noise with the following frequency components was added to the ideal ECG signal.
이상적인 ECG 신호 생성은 교과서에 수록된 전형적인 신호 파형을 기초로 수동으로 생성하였고 적절한 평균 심박수에 맞게 여러 개로 복사하는 방식으로 생성하였다. The ideal ECG signal was created manually based on the typical signal waveform contained in the textbook and copied in multiple ways to match the appropriate average heart rate.
또한, 잡음 신호 생성에 관해서는, ECG 신호에 잡음을 만드는 요인은 여러 가지가 있다. 도 14에서 이런 잡음 원인과 그로 인한 잡음의 주파수 특성을 기술하였다.Additionally, regarding noise signal generation, there are several factors that create noise in the ECG signal. In Figure 14, the cause of this noise and the frequency characteristics of the resulting noise are described.
컴퓨터 시뮬레이션을 위해 생성한 잡음이 있는 ECG 신호는 도 15과 같다. 도 15에 도시된 그래프를 설명하면 왼쪽 위부터 시계 방향으로 1번은 이상적 ECG 신호, 2번은 호흡에 의한 잡음, 3번은 장치 이동에 의한 잡음, 4번은 전원 잡음, 5번은 최종적인 ECG 신호, 6번은 근육변화에 의한 잡음, 7번은 움직임에 의한 잡음 그래프이다.The noisy ECG signal generated for computer simulation is shown in Figure 15. Explaining the graph shown in FIG. 15, clockwise from the top left, number 1 is the ideal ECG signal, number 2 is noise due to breathing, number 3 is noise due to device movement, number 4 is power noise, number 5 is the final ECG signal, and number 6 is Noise caused by muscle changes, number 7 is a graph of noise caused by movement.
다음으로, 128탭을 가지는 FIR BPF 성능 평가에 대하여 설명한다.Next, the FIR BPF performance evaluation with 128 taps will be described.
도 16은 필터의 입력 및 출력 신호 파형 그래프이다. 먼저 도 16에 긴 시간 범위의 파형을 도시하였다. 필터링 결과로 대부분의 저주파 성분이 제거되었음을 확인할 수 있다. 도 16은 짧은 시간 동안의 파형을 보여주는데 보다 확실하게 저주파 성분의 파형이 제거됨을 확인할 수 있다.16 is a graph of the input and output signal waveforms of the filter. First, the waveform over a long time range is shown in Figure 16. As a result of filtering, it can be seen that most low-frequency components have been removed. Figure 16 shows the waveform for a short period of time, and it can be seen that the waveform of the low-frequency component is more clearly removed.
다음으로 상기한 적응형필터의 성능에 대해 살펴보자. 도 17은 적응형필터의 입력 및 출력 신호의 파형을 도시한 것이다. 앞서와 동일하게 잡음 있는 ECG신호을 입력으로 설정하였다. 그림이 보여주듯이 적응형필터도 적절하게 필터링을 수행하는 것을 보여준다.Next, let's look at the performance of the adaptive filter described above. Figure 17 shows the waveforms of the input and output signals of the adaptive filter. As before, the noisy ECG signal was set as the input. As the figure shows, the adaptive filter also performs filtering appropriately.
다음으로, FIR BPF + Adaptive filter 2단 적용 결과를 설명한다.Next, the results of applying FIR BPF + Adaptive filter 2nd stage are explained.
도 9에서 설명한 바와 같이 제안하는 신호처리 시스템은 BPF와 적응형 필터를 연속으로 사용하여 잡음을 제거한다. 결과를 도 18에 도시하였다. 도 18에 있는 그래프들은 왼쪽 컬럼의 첫 번째 그래프는 입력 신호(ECG+노이즈)를, 오른쪽 컬럼 첫 번째 그래프는 BPF 출력 신호를, 왼쪽 두 번째는 적응형 필터 출력을, 오른쪽 두 번째는 2단 필터(BPF+적응형필터) 출력을, 마지막으로 왼쪽 맨 아래는 입력 신호와 최종 출력 신호와의 오차 신호를 나타낸다. 오차 그래프가 보여주듯 매우 작은 값의 오차가 존재함을 보여준다.As explained in Figure 9, the proposed signal processing system removes noise by successively using BPF and adaptive filter. The results are shown in Figure 18. The graphs in Figure 18 show the input signal (ECG + noise) in the first graph in the left column, the BPF output signal in the first graph in the right column, the adaptive filter output in the second graph on the left, and the two-stage filter ( BPF + Adaptive Filter) output, and finally, the bottom left shows the error signal between the input signal and the final output signal. As the error graph shows, there is a very small error.
다음으로, 평균에러 및 SNR 평가 지표에 의한 성능 평가에 대하여 설명한다.Next, performance evaluation using average error and SNR evaluation indices will be described.
상기한 필터의 성능을 정량적으로 평가하기 위해 다음과 같은 2개의 지표를 도입한다.To quantitatively evaluate the performance of the above filter, the following two indicators are introduced.
먼저, 평균제곱오차(MSE, Mean Squared Error)이다. 실제 이상적 ECG 신호와의 오차 값의 평균제곱에러 값을 계산하여 성능을 비교한다.First, it is the mean squared error (MSE). Performance is compared by calculating the mean square error value of the error value with the actual ideal ECG signal.
잡음 신호의 MSE=424.61로 나타나고, 필터링된 신호의 MSE=93.26로 나타난다. 약 잡음 신호 오차 값의 21.9%이다.The noise signal appears as MSE=424.61, and the filtered signal appears as MSE=93.26. It is approximately 21.9% of the noise signal error value.
다음으로, 신호잡음비(SNR, Signal to Noise Ratio)로서, 보통 dB 단위로 표현된다. 이 결과, 잡음 신호의 SNR = 1.55 dB vs. 필터링된 신호의 SNR=2.31 로 나타난다.Next, the signal to noise ratio (SNR) is usually expressed in dB units. This results in SNR = 1.55 dB vs. noise signal. The SNR of the filtered signal appears to be 2.31.
다음으로, R 피크 감지 성능 평가에 대하여 설명한다.Next, the R peak detection performance evaluation will be described.
QRS파(QRS complex) 감지 알고리즘은 최종적으로 R 피크(peak)를 가능한 정확하게 감지하여 정확한 심박수(HR; Heart Rate)를 찾고자 하는 것이다. 본 발명에 따른 신호처리 방법을 이용하여 R 피크 감지 성능은 다음과 같다.The QRS complex detection algorithm ultimately seeks to find the exact heart rate (HR) by detecting the R peak as accurately as possible. The R peak detection performance using the signal processing method according to the present invention is as follows.
도 19에 나타낸 바와 같이 이상적인 신호에서의 참값인 120개의 R 피크에 대해 잡음이 있는 신호에 대한 R 피크 검출 결과는 105개로 15개의 오차(12.5%)를 나타냈으나 필터링된 신호에 대해서는 119개로 1개의 오차(0.83%)만을 기술하였다.As shown in Figure 19, for the 120 R peaks, which are the true values in the ideal signal, the R peak detection result for the noisy signal was 105, showing 15 errors (12.5%), but for the filtered signal, it was 119, which was 1. Only errors (0.83%) were described.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.Although the invention made by the present inventor has been described in detail according to the above-mentioned embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments and can of course be changed in various ways without departing from the gist of the invention.
10 : 심전도 전극 20 : 심전도 측정 모듈
30 : 데이터 수집 시스템 40 : 신호처리부10: ECG electrode 20: ECG measurement module
30: data collection system 40: signal processing unit
Claims (3)
소동물에 부착되는 심전도 전극;
상기 심전도 전극으로부터 소동물의 심전도 신호를 수신하는 심전도 측정 모듈;
상기 심전도 측정 모듈로부터 심전도 데이터를 수집하고, 3축의 가속도센서 및 각속도(자이로스코프) 센서를 내장하여, 움직임에 따른 가속도/각속도를 측정하는 데이터 수집 시스템; 및,
측정된 심전도 신호에 FIR 밴드패스 필터(BPF) 및 적응형 필터를 적용하고, QRS파(QRS complex)를 감지하고, 최종적으로 R 피크를 검출하여 심박수를 추출하는 신호처리부를 포함하고,
상기 데이터 수집 시스템은 주 제어장치로 기능하는 제어모듈, ECG 생체 신호 검출을 위한 전극/케이블과 연결되어 아날로그 프론트(analog front) 모듈의 기능을 담당하는 AD모듈, 및, 동물의 움직임을 감지하는 모션센서 보드로 구성되고,
상기 FIR 밴드패스 필터는 128개의 탭을 가지도록 설계되고, 128개의 필터 계수와 128번째까지의 과거 데이터를 사용하는 필터로 구성되고,
상기 적응형 필터의 계수는 정규 LMS(NLMS; normalized LMS)에 의해 산출한 후, 다음 [수식 1]을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 소동물용 휴대용 심전도 전극 및 심전도 측정 시스템.
[수식 1]
단, u(n)은 입력 신호, e(n)은 에러 신호로 원하는 신호 d(n)과 필터 출력 신호 y(n)의 차이 값, w는 필터 계수들, 그리고 μ는 학습계수이고, 필터 출력 신호 y(n) = wT(n)u(n)이고, u(n) = [u(n)…u(n-N+1)]이고 N은 필터 길이 파라미터임.
In a portable electrocardiogram electrode and electrocardiogram measurement system for small animals,
Electrocardiogram electrodes attached to small animals;
An electrocardiogram measurement module that receives electrocardiogram signals of small animals from the electrocardiogram electrodes;
A data collection system that collects ECG data from the ECG measurement module and has a built-in 3-axis acceleration sensor and angular velocity (gyroscope) sensor to measure acceleration/angular velocity according to movement; and,
A signal processing unit applies a FIR bandpass filter (BPF) and an adaptive filter to the measured ECG signal, detects the QRS complex, and finally detects the R peak to extract the heart rate,
The data collection system includes a control module that functions as the main control device, an AD module that is connected to electrodes/cables for ECG biosignal detection and functions as an analog front module, and a motion sensor that detects animal movement. It consists of a sensor board,
The FIR bandpass filter is designed to have 128 taps and consists of 128 filter coefficients and a filter that uses past data up to the 128th,
A portable electrocardiogram electrode and electrocardiogram measurement system for small animals, characterized in that the coefficients of the adaptive filter are calculated by normalized LMS (NLMS) and then calculated using the following [Equation 1].
[Formula 1]
However, u(n) is the input signal, e(n) is the error signal, the difference between the desired signal d(n) and the filter output signal y(n), w is the filter coefficients, and μ is the learning coefficient, and the filter The output signal y(n) = wT(n)u(n), and u(n) = [u(n)… u(n-N+1)] and N is the filter length parameter.
상기 심전도 전극은 고탄력 신축사로 3차원 직조된 원단으로 구성된 패브릭기재, 엘라스토머와 점착부여 수지로 구성된 점착제, 중박리 타입을 사용한 이형지로 구성된 전극패턴 고정용 점착 패드를 구비하는 것을 특징으로 하는 소동물용 휴대용 심전도 전극 및 심전도 측정 시스템.
According to paragraph 1,
The electrocardiogram electrode is for small animals, characterized in that it is provided with a fabric base made of a three-dimensional woven fabric with high elasticity stretch yarn, an adhesive made of an elastomer and an adhesive resin, and an adhesive pad for fixing the electrode pattern made of a release paper using a medium release type. Portable electrocardiogram electrodes and electrocardiogram measurement system.
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