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문제 정의
- 보통의 경우 태아의 심박 활동은 한 프레임인 2초 동안에 는 급격히 변하지 않을 것이므로, 본 연구에서는 주기 검출 알고리즘의 오류 가능성을 줄이기 위하여 앞. 뒤 프레임에서 검출된 주기정보를 활용하여 최종적으로 심박률음 결 정 한다.
- 따라서 최대 크기만 을 이용하여 피크를 걸출하는 일반적인 피크 검출 방법으로 주기 피크름 건촉할 때에는 오류의 가능성이 매우 높으리라는 것을 알 r 있다. 본 연구에서는 이러한 오류를 피하기 위해 자기 상관 함수의 결과 파형에서 피크의 평균 크기와 피크를 구성하는 전 .후 밸리 사이의 간격을 파라미터로 이용한 방법을 제안하였으며, 그 결과는 그림 12에 나타내었다.
- 본 연구에서는 저가로 구현가능한 기술이지만 그 동안 널리 활용되지 않았던 포노그램 방식을 이용하여 태아 심음을 검출하고, 이 신호를 이용하여 태아 심박률을 효과적으로 추정할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 또한 이를 이용하여 태아 심박률 변화, 태아 심음의 스펙트럼 등을 추출하여 동시에 디스플레이하는 태아 심음 분석 소프트웨어를 개발 하였다.
- 이완 운동을 음향적 측면에서 보는 것이고, 심전도는 심장이 수축 . 이 완되도록 하는 심장의 특수근에서 발생하는 전기적 현상을 관찰하는 것이다. 그림 1은 포노그램과 심전도 파형을 동일 시간축에서 나타낸 것이다.
제안 방법
- 개발된 알고리즘은 일반적인 방법에 비해 안정적이고, 정확한 결과를 나타냄을 확인할 수 있었다. 검출된 심박률의 정확성은 두 가지 방법에서 심박 주기의 뚜렷한 차이가 나타나는 부분에서 원파형, 필터링된 파형 및 자기상관함수 등을 관찰하여 확인하였다. 끝으로, 제안한 태아 심박률 추정 알고리즘을 토대로 하여 심박률과 그 변화를 쉽게 관찰할 수 있고, 동시에 주파수 스펙트럼도 디스플레이하는 심음 분석 소프트웨어를 구현하였다.
- 49초의 범위를 갖게 된다. 그러나 본 연구에서는 주기의 급격한 변화에 대처하기 위하여 검출 윈도우 길이를 L49초보다 큰 2초로 결정하였으며, 이에 따라 증가된 계산량을 감소시키기 위한 과정을 전처리 과정에 포 함하였다.
- 자기 상관 함수 연산 프레임의 길이가 2초이므로 연산된 한 프레임 내에서 적어도 두개 이상의 주기가 검출될 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 한 프레임에서 두 개의 주기를 검출하기로 하고, 첫번째 검출된 주기의 시점에서 0.25초 후부터 프레임의 끝까지 이상과 같은 방법으로 주기에 해당하는 피크를 검출한다. 검출된 두 개의 주기는 주기값 간의 차이 비교를 통해 실험적으로 설정한 허용오차(0.
- 따라서 본 연구에서는 현재의 컴퓨터 성능을 고려하여 실시간 처리가 가능한 4:1의 데시메이션을 통해 연산량을 줄였다. 그리고 나서 주기 검출을 용이하게 하기 위해 신호의 양의 부분에 대한 포락선을 추출하였다. 포락선 검출은 심음 파형의 양의 피크들을 1차 보간 하는 방법으로 하였다.
- 검출된 심박률의 정확성은 두 가지 방법에서 심박 주기의 뚜렷한 차이가 나타나는 부분에서 원파형, 필터링된 파형 및 자기상관함수 등을 관찰하여 확인하였다. 끝으로, 제안한 태아 심박률 추정 알고리즘을 토대로 하여 심박률과 그 변화를 쉽게 관찰할 수 있고, 동시에 주파수 스펙트럼도 디스플레이하는 심음 분석 소프트웨어를 구현하였다. 개발된 소프트웨어는 사용이 편리하고, 실시간 분석 및 화면 디스플레이를 하면서, 동시에 심음 네이터를 서장하므로 나숭에 성민분석을 위하여 저장된 파일의 재검토가 가능하여 태아 상태를 진단하는데 유용하게 이용될 수 있을 것이다.
- 태아 심음의 주기 검출을 위해서는 저심음과 다음 주기에서의 제1심음간의 주기를 검출해야 하므로 제2심음은 주기검출에 장애 요소가 된다. 따라서 본 연구에서는 일반적인 주기검출 알고리즘을 적용하되 제2심음의 간섭을 피하고, 또한 많은 잡음에 노출된 상태에서도 주기 검출을 용이하게 할 수 있도록 전처리 과정을 구성하였고, 신뢰성 있고 안정적으로 심박률을 결정하는 후처리 과정을 개발하여 정확한 태아 심박률 추정 알고리즘을 제안하였다. 이는 그림 3과 같이 구성된다.
- 그러나 태아의 심음은 신호대 잡음 비가 떨어지고, 임신 기간 및 태아의 움직임에 따라 신호의 크기가 달라지므로, 센터 클리핑을 위한 클리핑 레벨 설정이 곤란하고, 잘못 설정할 경우 불필요한 잡음뿐만 아니라 태아 심음 신호까지 제거될 위험이 있다. 따라서 본 연구에서는 주기 이외의 신호를 제거하기 위하여 차단 주파수가 80Hz 인 2차 HR 저역통과필터를 설계하여 사용하였다. 필터의 차단 주파수는 임상실험에서 얻어진 태아 심음을 토대로 실험적으로 결정하였다.
- 태아 심음 주기 검출 방법으로 적용한 자기상간 함수 방법으 심음 신호가 명확히 구분되는 경우에는 주기 부분 에시 비교적 큰 피크를 가지나, 미약한 심음 신호인 경우에는 작은 피크들로 구성되브로 매우 신중한 처리 과정이 요구된다. 따라서 본 연구에시는 주기성이 매우 뚜렷해시 강한 심음이라고 판난되% 경우에만 심박률이 결정될 수 있도록 하였으며, 주기 피크 검출 후에도 심박률 계산에 헌재 프레임과 전 .후 프레임의 결과를 활용하여 결정하는 후처리 과정을 제안한다.
- 본 연구에서는 저가로 구현가능한 기술이지만 그 동안 널리 활용되지 않았던 포노그램 방식을 이용하여 태아 심음을 검출하고, 이 신호를 이용하여 태아 심박률을 효과적으로 추정할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 또한 이를 이용하여 태아 심박률 변화, 태아 심음의 스펙트럼 등을 추출하여 동시에 디스플레이하는 태아 심음 분석 소프트웨어를 개발 하였다. 이로부터 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 포노그램 방식의 고성능 전자청진 증폭기를 이용하여 검출된 태아의 심음 신호에서 잡음제거 및 연산 효율을 위한 전처리(pre-processing), 주기검출 기법, 태아 심박률 결정을 위한 후처리(post-processing) 등으로 구성되는 태아 심박률 추정 알고리즘을 제안하였다. 또한 태아 심박률 및 변화궤적 및 FFT 스펙트럼 등을 디스플레이하는 태아 심음 분석 소프트웨어를 개발하였다. 이를 위하여 대학병원의 산부인과에서 임산부를 대상으로 태아 심음을 수집하였으며, 주기 검출에 방해가 되는 고주파 잡음 제거를 위한 디지털 저역통과 필터를 설계하였고, 데시메이션(decimation), 포락선(envelop) 검출 등의 전처리 과정을 구성하였고, 자기 상관 (autocorrelation)함수를 토대로 한 주기 검출 알고리즘을 구현하였으며, 정확한 태아 심박률 결정을 위한 후처리 과정을 개발하였다.
- 본 연구에서는 AMDF 방법에 비해 정밀도가 높은 자기상관 함수 방법을 주기 검출 알고리즘으로 이용하며, 윈도우 밖의 데이터에는 0을 삽입한다. 사용된 자기 상관 함수 식은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 포노그램 방식의 고성능 전자청진 증폭기를 이용하여 검출된 태아의 심음 신호에서 잡음제거 및 연산 효율을 위한 전처리(pre-processing), 주기검출 기법, 태아 심박률 결정을 위한 후처리(post-processing) 등으로 구성되는 태아 심박률 추정 알고리즘을 제안하였다. 또한 태아 심박률 및 변화궤적 및 FFT 스펙트럼 등을 디스플레이하는 태아 심음 분석 소프트웨어를 개발하였다.
- 수집된 데이터를 이용하여 저역통과 필터링, 데시메이션. 포락선 검출 등의 전처리를 거친 후 자기상관 함수 연산을 수행하였다.
- 또한 태아 심박률 및 변화궤적 및 FFT 스펙트럼 등을 디스플레이하는 태아 심음 분석 소프트웨어를 개발하였다. 이를 위하여 대학병원의 산부인과에서 임산부를 대상으로 태아 심음을 수집하였으며, 주기 검출에 방해가 되는 고주파 잡음 제거를 위한 디지털 저역통과 필터를 설계하였고, 데시메이션(decimation), 포락선(envelop) 검출 등의 전처리 과정을 구성하였고, 자기 상관 (autocorrelation)함수를 토대로 한 주기 검출 알고리즘을 구현하였으며, 정확한 태아 심박률 결정을 위한 후처리 과정을 개발하였다. 개발된 방법의 정확성을 검증하기 위해 기존의 주기 검출 알고리즘과 성능을 비교하였다.
- 주파수 스펙트럼은 시간 축을 기준으로 심음의 주파수별 에너지 분포에 따라 에너지가 높을수록 짙은 녹색으로 나타내고, 낮으면 엷은 황색으로 색을 달리하여 나타낸다. 주파수 스펙트럼은 256 포인트 FFT를 사용하여 50% 오버랩(overlap)시켜 연산하였으며, 윈도우는 해밍윈도우를 사용하였다. 태아 심음 분석 소프트웨어의 실행 화면은 그림 17과 같다.
- 이는 심박률의 차이가 심하게 나타나는 부분의 원파형, 필터링된 파형 및 자기상과 함수의 결과를 세심히 관찰하여 정확성을 확인하였으며, 또한 태아의 심박률이 2초만에 급격하게 변화할 수는 없으므로 제안한 방법이 더 정확한 결과를 나타냄을 알 수 있다. 태아 심박률 추정 알고리즘을 토대로 하여 심박률과 그 변화를 쉽게 관찰할 수 있고, 동시에 주파수 스펙트럼도 디스플레이하는 심음 분석 소프트웨어를 구현하였다. 그림 16 은 구현된 태아 심음 분석 소프트웨어의 블록선도를 나타내고 있다.
- 이렇게 잡음이 제거된 신호는 가변 이득의 전력증폭기로 입력되어 헤드폰으로 듣거나 녹음이 가능하다. 태아 심음의 수집을 위해서는 먼저 도플러를 이용하여 태아의 심장 위치를 확인한 후 제작된 증폭기를 가장 가까운 위치에 두고 신호를 검출하였다.
- 수집된 데이터를 이용하여 저역통과 필터링, 데시메이션. 포락선 검출 등의 전처리를 거친 후 자기상관 함수 연산을 수행하였다. 자기 상관 함수 방법을 적용한 결과에는 주기를 나타내는 피크 이외에도 여전히 주기 검출을 방해하는 불필요한 피크들이 존재하고 있다.
- 따라서 본 연구에서는 주기 이외의 신호를 제거하기 위하여 차단 주파수가 80Hz 인 2차 HR 저역통과필터를 설계하여 사용하였다. 필터의 차단 주파수는 임상실험에서 얻어진 태아 심음을 토대로 실험적으로 결정하였다. 식 (1)은 구현한 저역통과필터의 전달함 수이고, 그림 4는 전달함수의 크기 특성을 나타낸 것이다.
- 둘째, 포노그램 방식의 피할 수 없는 약점인 고잡음 환경에서도 태아 심음 신호의 자기 상관 함수 결과에서 피크 의 평균 높이와 피크를 구성하는 전 .후 밸리 사이의 간격을 파라미터로 이용한 주기 피크 검출 방법을 개발하여 주기에 해당하는 피크의 검출이 쉽지 않은 경우에도 정확한 주기 피크를 검출할 수 있는 태아 심박률 추정 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘은 일반적인 방법에 비해 안정적이고, 정확한 결과를 나타냄을 확인할 수 있었다.
- 따라서 본 연구에시는 주기성이 매우 뚜렷해시 강한 심음이라고 판난되% 경우에만 심박률이 결정될 수 있도록 하였으며, 주기 피크 검출 후에도 심박률 계산에 헌재 프레임과 전 .후 프레임의 결과를 활용하여 결정하는 후처리 과정을 제안한다.
대상 데이터
- 산모의 복부로부터 검출된 태아 심음 신호는 태아 심음 증폭기를 이용하여 증폭한 후, 헤드폰을 통해 듣거나 카세트에 저장하며, 심박률 추정을 위하여 A/D 변환되어 컴퓨터에 입력된다. A/D 변환기는 미국 Dala Translation 사의 DT-2831을 사용하였고, 8kHz의 샘플링 주파수와 12bit 해상도로 샘플링하였다.
- 태아 심음 증폭기의 성능을 평가하기 위하여 성인 심음과 태아 심음을 각각 수집하였으며, 성인 심음 데이터는 실험실에서 10명의 남/여 성인에게서 수집하였고, 태아 심음 데이터는 대학병원 산부인과 진료실에서 임신기간이 다른 30명의 임신부를 대상으로 병원의 주변잡음에 노출된 상태로 수집하였다. 그림 9는 수집된 데이터를 이용한 태아 심박률 추정 알고리즘의 처리단계를 나타낸 것이다.
데이터처리
- 이를 위하여 대학병원의 산부인과에서 임산부를 대상으로 태아 심음을 수집하였으며, 주기 검출에 방해가 되는 고주파 잡음 제거를 위한 디지털 저역통과 필터를 설계하였고, 데시메이션(decimation), 포락선(envelop) 검출 등의 전처리 과정을 구성하였고, 자기 상관 (autocorrelation)함수를 토대로 한 주기 검출 알고리즘을 구현하였으며, 정확한 태아 심박률 결정을 위한 후처리 과정을 개발하였다. 개발된 방법의 정확성을 검증하기 위해 기존의 주기 검출 알고리즘과 성능을 비교하였다.
성능/효과
- 후 밸리 사이의 간격을 파라미터로 이용한 주기 피크 검출 방법을 개발하여 주기에 해당하는 피크의 검출이 쉽지 않은 경우에도 정확한 주기 피크를 검출할 수 있는 태아 심박률 추정 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘은 일반적인 방법에 비해 안정적이고, 정확한 결과를 나타냄을 확인할 수 있었다. 검출된 심박률의 정확성은 두 가지 방법에서 심박 주기의 뚜렷한 차이가 나타나는 부분에서 원파형, 필터링된 파형 및 자기상관함수 등을 관찰하여 확인하였다.
- 첫째, 제작된 태아 심음 증폭기를 이용하여 대학병원에서 임신기간이 다른 임산부들을 대상으로 성능 실험을 하였을 때 초음파와 거의 근사한 정도의 태아 심음 검출 성능을 나타내었지만, 비전문가가 들을 때에는 구분이 어려울 정도로 음질은 매우 떨어졌다. 그러나 자기 상관 함수 방법을 이용 해 태아의 심음 주기 검출 실험을 수행해 본 결과, 심음 소리를 구분할 수 없을 정도로 아주 미약하게 들리던 신호에 대해서도 주기성이 비교적 뚜렷하게 나타남을 확인할 수 있었다. 둘째, 포노그램 방식의 피할 수 없는 약점인 고잡음 환경에서도 태아 심음 신호의 자기 상관 함수 결과에서 피크 의 평균 높이와 피크를 구성하는 전 .
- 그림에서 알 수 있듯이 일반적인 피크 검출 방법을 이용하였을 때에는 값의 변동이 심하게 나타남을 알 수 있다. 그러나 제안한 방법을 적용하였을 때는 심박률이 급격하게 변화하는 부분이 적어서 일반적인 방법에 비해 심박률이 거의 비슷한 값을 나타내고, 일반적인 방법에서 심박률을 추정하지 못한 곳에서도 비교적 정확한 심박률을 추정하고 있음을 알 수 있다. 이는 심박률의 차이가 심하게 나타나는 부분의 원파형, 필터링된 파형 및 자기상과 함수의 결과를 세심히 관찰하여 정확성을 확인하였으며, 또한 태아의 심박률이 2초만에 급격하게 변화할 수는 없으므로 제안한 방법이 더 정확한 결과를 나타냄을 알 수 있다.
- 그러나 자기 상관 함수 방법을 이용 해 태아의 심음 주기 검출 실험을 수행해 본 결과, 심음 소리를 구분할 수 없을 정도로 아주 미약하게 들리던 신호에 대해서도 주기성이 비교적 뚜렷하게 나타남을 확인할 수 있었다. 둘째, 포노그램 방식의 피할 수 없는 약점인 고잡음 환경에서도 태아 심음 신호의 자기 상관 함수 결과에서 피크 의 평균 높이와 피크를 구성하는 전 .후 밸리 사이의 간격을 파라미터로 이용한 주기 피크 검출 방법을 개발하여 주기에 해당하는 피크의 검출이 쉽지 않은 경우에도 정확한 주기 피크를 검출할 수 있는 태아 심박률 추정 알고리즘을 개발하였다.
- 보통 태아에 따라 심박률의 차이가 있고, 비정상적으로 낮은 경우에는 40bpm까지 가능하므로 이런 경우 심박률을 계산하기 위해서는 수초간의 데이터가 필요하므로 연산량이 매우 많아서 실시간 연산이 불가능해질 수도 있다. 따라서 본 연구에서는 현재의 컴퓨터 성능을 고려하여 실시간 처리가 가능한 4:1의 데시메이션을 통해 연산량을 줄였다. 그리고 나서 주기 검출을 용이하게 하기 위해 신호의 양의 부분에 대한 포락선을 추출하였다.
- 그러나 제안한 방법을 적용하였을 때는 심박률이 급격하게 변화하는 부분이 적어서 일반적인 방법에 비해 심박률이 거의 비슷한 값을 나타내고, 일반적인 방법에서 심박률을 추정하지 못한 곳에서도 비교적 정확한 심박률을 추정하고 있음을 알 수 있다. 이는 심박률의 차이가 심하게 나타나는 부분의 원파형, 필터링된 파형 및 자기상과 함수의 결과를 세심히 관찰하여 정확성을 확인하였으며, 또한 태아의 심박률이 2초만에 급격하게 변화할 수는 없으므로 제안한 방법이 더 정확한 결과를 나타냄을 알 수 있다. 태아 심박률 추정 알고리즘을 토대로 하여 심박률과 그 변화를 쉽게 관찰할 수 있고, 동시에 주파수 스펙트럼도 디스플레이하는 심음 분석 소프트웨어를 구현하였다.
- 일반적인 방법을 적용한 결과인 그림 12-(b)에서 보듯이, 두 번째는 잘 검출 되었으나, 첫 번째 주기검출에서 피크의 값에만 의존하여 검출하는 방식의 한계로 인해 오류를 나타내어 결과적으로 주기와 심박률 검출이 불가능한 상황을 보여주고 있다. 이에 반하여 제안한 방법을 적용하였을 때는 두 개의 주기가 잘 검출되며, 이 주기의 값은 원파형과 자기 상관 함수의 결과에 시 보이는 주기와 일치함을 알 수 있다.
- 첫째, 제작된 태아 심음 증폭기를 이용하여 대학병원에서 임신기간이 다른 임산부들을 대상으로 성능 실험을 하였을 때 초음파와 거의 근사한 정도의 태아 심음 검출 성능을 나타내었지만, 비전문가가 들을 때에는 구분이 어려울 정도로 음질은 매우 떨어졌다. 그러나 자기 상관 함수 방법을 이용 해 태아의 심음 주기 검출 실험을 수행해 본 결과, 심음 소리를 구분할 수 없을 정도로 아주 미약하게 들리던 신호에 대해서도 주기성이 비교적 뚜렷하게 나타남을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 끝으로, 제안한 태아 심박률 추정 알고리즘을 토대로 하여 심박률과 그 변화를 쉽게 관찰할 수 있고, 동시에 주파수 스펙트럼도 디스플레이하는 심음 분석 소프트웨어를 구현하였다. 개발된 소프트웨어는 사용이 편리하고, 실시간 분석 및 화면 디스플레이를 하면서, 동시에 심음 네이터를 서장하므로 나숭에 성민분석을 위하여 저장된 파일의 재검토가 가능하여 태아 상태를 진단하는데 유용하게 이용될 수 있을 것이다. 본 연구에서 개발한 태아 심박률 추정 알고리즘과 이를 이용한 태아 심음 분석 소프트웨어는 안전하고 저가인 포노그램 방식을 이용하므로 보급형 태아감시 장치로 활용될 수 있을 것이다.
- 따라서 포노그램 방식을 태아감시 장치에 적용하기 위해서는 주변 잡음은 억제하고 태아의 활동음은 잘 증폭할 수 있도록 증폭기의 성능을 개선하거나, 섬세한 신호처리 기술이 개발되어야 한다. 그러나 증폭기의 성능은 포노그램 방식 고유의 한계를 벗어날 수 없으므로 태아 포노그램 신호의 적절한 신호처리 기술을 개발하는 것이 더 효과적인 방법일 것이다.
- 개발된 소프트웨어는 사용이 편리하고, 실시간 분석 및 화면 디스플레이를 하면서, 동시에 심음 네이터를 서장하므로 나숭에 성민분석을 위하여 저장된 파일의 재검토가 가능하여 태아 상태를 진단하는데 유용하게 이용될 수 있을 것이다. 본 연구에서 개발한 태아 심박률 추정 알고리즘과 이를 이용한 태아 심음 분석 소프트웨어는 안전하고 저가인 포노그램 방식을 이용하므로 보급형 태아감시 장치로 활용될 수 있을 것이다.
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