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규칙 및 SVM 기반 알고리즘에 의한 심전도 신호의 리듬 분류
Rhythm Classification of ECG Signal by Rule and SVM Based Algorithm 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.18 no.9, 2013년, pp.43 - 51  

김성완 (수원과학대학교 컴퓨터정보과) ,  김대환 (수원과학대학교 컴퓨터정보과)

초록
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신뢰성 있는 부정맥 진단을 위해서는 리듬 구간 및 심박 단위의 종합적인 분석을 통하여 심전도 신호에 대한 분류 결과가 제시되어야 한다. 본 논문에서는 심전도 신호의 특징점에 기반하여 규칙기반 분류를 이용한 일정 구간의 리듬 분석을 수행하고 SVM기반 분류를 이용한 심박 단위의 리듬분석을 첨가하였다. 규칙기반 분류에서는 리듬 구간의 특징에 대하여 임상 자료로부터 도출된 규칙 베이스를 이용하여 리듬 유형을 분류하도록 하며, SVM기반 분류에서는 심박 단위의 특징에 대하여 미리 학습된 다중 SVM 분류기를 이용하여 단조 리듬 및 주요 비정상 심박을 분류하도록 한다. MIT-BIH 부정맥 데이터베이스를 이용한 실험을 통하여 11가지 리듬 유형에 대하여 규칙기반 방법만을 적용하였을 경우 68.52%, 규칙기반과 SVM기반의 융합 방법을 적용하였을 경우 87.04%의 분류 성능을 각각 보였다. SVM기반 방법으로 단조 리듬과 배열 리듬에 대한 오분류 개선을 통하여 분류 성능에서 19% 정도가 향상됨을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Classification result by comprehensive analysis of rhythm section and heartbeat unit makes a reliable diagnosis of heart disease possible. In this paper, based on feature-points of ECG signals, rhythm analysis for constant section and heartbeat unit is conducted using rule-based classification and S...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이를 위하여 본 논문에서는 모든 리듬에 대하여 기본적으로 규칙기반 리듬 분류를 적용하고 단조 및 배열 리듬을 위하여 보완적으로 SVM기반 심박 분류를 적용하였다. 그리고 규칙기반 리듬 분류와 SVM기반 심박 분류의 결과로부터 최종 리듬을 진단하기 위하여 그림 5와 같은 처리 과정을 도출하여 진단결과의 신뢰성을 높이고자 하였다.
  • 본 논문에서는 그림 2와 같이 심전도 신호의 특징점으로부터 규칙기반 리듬 분류[13]와 SVM(support vector machine)기반 심박 분류[15]를 이용하여 부정맥 진단을 위한 리듬 분류 알고리즘을 제안한다. 규칙기반 분류에서는 리듬 구간의 특징에 대하여 미리 준비된 규칙 베이스를 이용하여 리듬 유형을 분류하게 된다.
  • 본 논문에서는 심전도 신호의 특징점에 기반하여 규칙기반 분류를 이용한 일정 구간의 리듬 분석을 수행하고 SVM기반 심박 분류를 이용하여 부정맥 진단을 위한 리듬 분류 알고리즘을 제안하였다. 리듬 분류를 위해 규칙기반 분류에서 리듬 구간의 특징에 대한 규칙 베이스를 이용하여 리듬 유형을 분류하며, SVM기반 분류에서 심박 단위의 특징에 대해 미리 학습된 다중 SVM 분류기를 이용하여 단조 리듬 및 주요 비정상 심박을 분류하도록 하였다.
  • 본 논문에서는 심전도 신호의 특징점에 기반하여 규칙기반 분류를 이용한 일정 구간의 리듬 분석을 수행하고 SVM기반 심박 분류를 이용하여 부정맥 진단을 위한 리듬 분류 알고리즘을 제안한다. 특징점 검출을 위해 곡률기반 정점 선택[14]을 이용하여 리듬 구간의 모든 P파, QRS군, 및 T파에 대한 시작점, 최고점, 끝점 위치를 검출한다.
  • 이를 포함하지 않는 경우 규칙기반에 의한 리듬 유형으로 최종 진단하며, 이를 포함하는 경우 다시 배열 및 단조 리듬 조건과 순차적으로 비교하여 해당 리듬으로 최종 진단하게 된다. 즉, 배열 리듬 조건을 만족하는 경우 규칙기반과 SVM기반 중 위험수준이 높은 리듬 유형으로 진단하는데, 이는 심전도 자동진단 시스템을 활용한 자가진단시 사전진단의 중요성과 긴급성을 반영하고자 하였다. 단조 리듬 조건을 만족하는 경우 해당 단조 리듬 유형으로 진단하며, 배열 및 단조 리듬 조건을 만족하지 않는 경우 정상동리듬으로 진단하게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
심장질환은 어떻게 분류할 수 있는가? 최근 심장질환은 암, 뇌혈관질환과 더불어 한국인의 3대 주요 사망원인으로 부각되고 있으며, 이는 식생활 서구화, 인구 고령화 등으로부터 기인한다. 심장질환은 관상동맥질환, 부정맥, 심장비대 등으로 크게 분류되고 있으며, 특히 부정맥은 심전도를 이용한 방법만으로도 다양한 비정상 상태를 정확히 진단할 수 있다. 그러나 부정맥은 증상 및 유형의 다양성으로 인하여 진단에 어려움이 있으므로 심전도를 이용한 효과적인 검출 및 분류를 위하여 자동화된 시스템 또는 알고리즘에 대한 연구가 필요하다[1].
P파, QRS군, T파를 각각 설명하시오. 심전도 신호는 심장을 구성하는 심방 및 심실의 규칙적인 수축과 이완에 의해 발생되는 전기적 파형의 집합으로서, P파, QRS군, T파로 대분류되고 이를 기준으로 한 주기가 결정된다. P파는 심방의 수축에 의해 발생된 파형으로서 두 개의 심방이 차례로 수축하면서 형성되나, 심방이 이완될 때에는 두 개의 심실이 수축할 때 획득되는 QRS군에 희석되어 심전도 신호 상에 기록되지 않는다. Q, R, S파로 구성되는 QRS군은 일반적으로 심전도 신호 한 주기 상에서 그 크기가 상대적으로 크게 나타나는데, 이는 심실의 근육이 심방에 비해 두꺼우므로 탈분극시 다른 파형에 비해 큰 전위차가 발생됨에 기인한다. 또한 T파는 수축된 심실이 이완될 때 획득되는 파형으로서, 특히 QRS군의 끝점에서 T파로 이행되는 구간의 파형을 ST분절이라고 한다.
신뢰성 있는 부정맥 진단을 위해서는 어떤 분류 결과가 제시되어야 하는가? 신뢰성 있는 부정맥 진단을 위해서는 리듬 구간 및 심박 단위의 종합적인 분석을 통하여 심전도 신호에 대한 분류 결과가 제시되어야 한다. 본 논문에서는 심전도 신호의 특징점에 기반하여 규칙기반 분류를 이용한 일정 구간의 리듬 분석을 수행하고 SVM기반 분류를 이용한 심박 단위의 리듬분석을 첨가하였다.
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참고문헌 (20)

  1. Y. Han, "A Study on Monitoring of Bio-signal for U-healthcare System," Journal of the Korea Society of Computer and Information, Vol. 16, No. 3, pp. 9-15, Mar. 2011. 

  2. F. Enseleit and F. Duru, "Long-term Continuous External Electrocardiographic Recording: A Review," Europace, Vol. 8, No. 4, pp. 255-266, Feb. 2006. 

  3. D. Finlay et al., "Synthesising the 12-lead Electrocardiogram: Trends and Challenges," European Journal of Internal Medicine, Vol. 18, No. 8, pp. 566-570, Dec. 2007. 

  4. D. Donoho, "De-noising by Soft-thresholding," IEEE Trans. on Information Theory, Vol. 41, No. 3, pp. 613-627, May 1995. 

  5. N. Thakor and Y. Thakor, "Applications of Adaptive Filtering to ECG Analysis: Noise Cancellation and Arrhythmia Detection," IEEE Trans. on Biomedical Engineering, Vol. 38, No. 8, pp. 785-794, Aug. 1991. 

  6. J. Pan and W. Tompkins, "A Real-time QRS Detection Algorithm," IEEE Trans. on Biomedical Engineering, Vol. 32, No. 3, pp. 230-236, March 1985. 

  7. P. Laguna et al., "Automatic Detection of Wave Boundaries in Multilead ECG Signals: Validation with the CSE Database," Computers and Biomedical Research, Vol. 27, No. 1, pp. 45-60, Feb. 1994. 

  8. J. Kim et al., "An R-wave Detection Method in ECG Signal Using Refractory Period," Journal of the Korea Society of Computer and Information, Vol. 18, No. 1, pp. 93-101, Jan. 2013. 

  9. P. Chazal et al., "Automatic Classification of Heartbeats Using ECG Morphology and Heartbeat Interval Features," IEEE Trans. on Biomedical Engineering, Vol. 51, No. 7, pp. 1196-1206, July 2004. 

  10. Y. Hu et al., "A Patient-adaptable ECG Beat Classifier Using a Mixture of Experts Approach," IEEE Trans. on Biomedical Engineering, Vol. 44, No. 9, pp. 891-900, Sep. 1997. 

  11. S. Osowski et al., "Support Vector Machine-based Expert System for Reliable Heartbeat Recognition," IEEE Trans. on Biomedical Engineering, Vol. 51, No. 4, pp. 582-589, April 2004. 

  12. T. Ince et al., "A Generic and Robust System for Automated Patient-specific Classification of ECG Signals," IEEE Trans. on Biomedical Engineering, Vol. 56, No. 5, pp. 1415-1426, May 2009. 

  13. C. Ryu et al., "Abnormality Detection of ECG Signal by Rule-based Rhythm Classification," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 22, No. 4, pp. 405-413, Aug. 2012. 

  14. T. Kim et al., "ECG Signal Compression Using Feature Points Based on Curvature," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 20, No. 5, pp. 624-630, Oct. 2010. 

  15. S. Kim, "Arrhythmia Detection and Type Classification of ECG Signals by Rule-based Rhythm Classification," Kyungpook University, Ph. D. Dissertation, Dec. 2011. 

  16. G. Moody and R. Mark, "The MIT-BIH Arrhythmia Database on CD-ROM and Software for Use with It," Computers in Cardiology, pp. 185-188, 1990 

  17. M. Kundu et al., "A Knowledge-based Approach to ECG Interpretation Using Fuzzy Logic," IEEE Trans. on System, Man, and Cybernetics, Vol. 28 Part B, No. 2, pp. 237-243, April 1998. 

  18. D. Ge et al., "Cardiac Arrhythmia Classification Using Autoregressive Modeling," BioMedical Engineering Online, Vol. 1, No. 5, pp. 1-12, Nov. 2002. 

  19. J. Rodriguez et al., "Real-time Classification of ECGs on a PDA," IEEE Trans. on Information Technology in Biomedicine, Vol. 9, No. 1, pp. 23-34, March 2005. 

  20. U. Ayesta et al., "Complexity Measure Revisited: A New Algorithm for Classifying Cardiac Arrhythmias," Proceedings of the 23rd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Vol. 2, pp. 1589-1591, 2001. 

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