[논문]템플릿 매칭 기반의 심전도 압축 전송

이상진; 김상곤; 김태곤

doi:10.7472/jksii.2022.23.1.31

템플릿 매칭 기반의 심전도 압축 전송
ECG Compression and Transmission based on Template Matching 원문보기

Journal of Internet Computing and Services = 인터넷정보학회논문지, v.23 no.1, 2022년, pp.31 - 38

이상진 (R&D, InBody Corp.) , 김상곤 (Dept. of Electronics & Information Engineering, Korea University) , 김태곤 (Dept. of Electronics & Information Engineering, Korea University)

초록
AI-Helper

심전도(electrocardiogram)는 심장의 주기적인 활동을 전기적인 신호로 기록한 것으로 심근의 리듬을 측정하고 판단하여 개인건강을 진단할 수 있는 중요한 신체정보이다. 특성상 대용량의 정보를 발생하는데 특정 질병의 진단을 목표로 하는 경우 상당한 기간의 누적 신호를 필요로 한다. 따라서 의학적인 손실 없이 정보용량을 대폭 줄이기 위한 압축 및 저장 처리에 관한 연구가 활발하게 진행되어 왔다. 최근 일상생활에서 착용할 수 있고 신호를 실시간 전송할 수 있는 스마트한 측정기기의 개발로 심전도는 그 활용도가 더욱 높아지고 있다. 측정기기는 일반적으로 사용자의 편리성을 위해 성능과 전력소모가 제한적인데, 이런 환경에서 대용량의 신호를 수 초안에 처리하고 전송할 수 있는 기법의 개발이 요구되고 있다. 본 논문에서는 심전도의 단위 파형의 누적 평균(template)을 활용하여 효율적으로 신호를 압축 전송하는 기법을 제안한다. 압축은 템플릿 매칭을 활용하며 무손실(lossless)이 가능하다. 제안하는 기법은 기존의 대표적인 압축방식과 비교해서 고압축 환경에서 우수한 성능을 보여주며, 복잡도는 상대적으로 높지 않은 것으로 분석된다. 그리고 template 매칭 차이 값에 대한 기존의 압축 기술의 적용도 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

An electrocardiogram(ECG) is a recoding of electrical signals of the heart's cyclic activity and an important body information for diagnosing myocardial rhythm. Large amount of information are generated continuously and a significant period of cumulative signal is required for the purpose of diagnosing a specific disease. Therefore, research on compression including clinically acceptable lossy technique has been developed to reduce the amount of information significantly. Recently, wearable smart heart monitoring devices that can transmit electrocardiogram(ECG) are being developed. The use of electrocardiogram, an important personal information for healthcare service, is rapidly increasing. However, devices generally have limited capability and power consumption for user convenience, and it is often difficult to apply the existing compression method directly. It is essential to develop techniques that can process and transmit a large volume of signals in limited resources. A method for compressing and transmitting the ECG signals efficiently by using the cumulative average (template) of the unit waveform is proposed in the paper. The ECG is coded lovelessly using template matching. It is analyzed that the proposed method is superior to the existing compression methods at high compression ratio, and its complexity is not relatively high. And it is also possible to apply compression methods to template matching values.

주제어

표/그림 (10)

그림 (그림 1) 심전도 파형 (Figure 1) Electrocardiogram
그림 (그림 2) 심전도의 주파수 성분 분포 (Figure 2) Frequency distribution of electrocardiogram
그림 (그림 3) 잡음이 제거된 심전도 (Figure 3) Denoised electrocardiogram
그림 (그림 4) DCT 영역의 심전도 (Figure 4) Discrete cosine transform
그림 (그림 5) DWT 영역의 심전도 (Figure 5) Discrete wavelet transform
그림 (그림 6) CS 기반의 심전도 신호처리 (Figure 6) Compressed sensing
그림 (그림 7) 블록도 (위: 측정기기, 아래: 관리기기) (Figure 7) Block diagrams
그림 (그림 8) 매칭 차이 신호의 주파수 성분 (Figure 8) Frequency distribution of template matched signal
그림 (그림 9) 심전도의 압축 성능 비교 (Figure 9) Electrocardiogram compression performance
그림 (그림 10) 심전도 매칭 차이 값의 압축 성능 비교 (Figure 10) Compression performance of template matched signal

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 심전도의 단위 파형의 누적 평균인 template를 활용하여 효율적으로 신호를 압축 전송하는 기법을 제안한다. 단위 심전도는 template 매칭을 이용하여 압축이 진행되며 무손실이 가능한 방식이다.
본 논문에서는 측정된 단위 심전도 파형들의 평균을 template로 누적하고, 이를 이용하여 심전도 신호를 효율적으로 압축 전송하는 방법을 제안한다. 누적 연산된 template와 현재의 심전도 신호와의 매칭 차이를 구하여 추가 전송한다.

제안 방법

임베디드 시스템을 활용한 실시간 구현 검증과 복잡도 분석은 제안하는 압축 전송 방식이 상대적으로 높지 않음을 보여준다. 그리고 template 매칭 차 이 값에 대한 압축 기술의 적용도 검증하였다. 성능 향상을 기대할 수 있지만 원래의 신호에 압축을 적용한 경우에 비해 기대치가 크지 않으며, 상당한 복잡도 증가는 피할 수 없다.
대표적인 압축 방식인 DCT, DWT, CS와의 압축 성능과 복잡도 분석 비교는 제안하는 기법의 우수성을 보여준다. 그리고 매칭 차이 값 을 압축하여 전송하는 방법도 제안하는 기법과 추가로 비교 분석하였다.
본 논문에서는 측정된 단위 심전도 파형들의 평균을 template로 누적하고, 이를 이용하여 심전도 신호를 효율적으로 압축 전송하는 방법을 제안한다. 누적 연산된 template와 현재의 심전도 신호와의 매칭 차이를 구하여 추가 전송한다. 신호를 전송받는 관리기기는 공유하고 있는 template와 매칭 차이를 활용하여 심전도를 복원한다.
누적 연산된 template와 현재의 심전도 신호와의 매칭 차이를 구하여 추가 전송한다. 신호를 전송받는 관리기기는 공유하고 있는 template와 매칭 차이를 활용하여 심전도를 복원한다. template를 이용하게 되면 매칭 차이 값 전송 전에도 높은 복원률을 갖는 장점이 있다.
제안하는 압축 전송 기법은 단위 심전도의 누적 평균 값인 template를 활용하여 측정기기의 계산량과 압축 성능을 향상시키고, 무손실(losseless)과 손실(lossy) 코딩 방법을 모두 지원한다. 그리고 기존의 압축 방식을 매칭 차이에 추가로 적용하면 추가적인 성능 향상을 기대할 수 있다.

대상 데이터

본 장에서는 제안된 기법의 압축 전송 성능을 비교 검증하였고, 임베디드 실험환경에서의 결과를 기반으로 각 압축방식의 복잡도를 분석하였다. 심전도는 MIT-BIH Arrythmia Database를 활용하였다. 본 논문에서는 심전도 신호들의 전송에는 오류가 없는 이상적인 채널을 가정하였으며, 성능 평가를 위해서는 신호의 압축률(Compression Ratio)과 평균 제곱근 편차(Percent Root Mean Difference) 를 활용하였다.

데이터처리

임베디드 보드 사양은 Arm920T core(s3c2410), uart 통신 2port, 10bit adc timer 8channel, 64kb memory, 203Mhz clock 등이다. PC는 Matlab을 이용하여 직렬(serial)통신을 하였다. 임베디드 보드의 중앙처리장치(CPU) 중심 복잡도 분석을 진행했으며, 수행 명령 사이클을 측정하였다.
심전도는 MIT-BIH Arrythmia Database를 활용하였다. 본 논문에서는 심전도 신호들의 전송에는 오류가 없는 이상적인 채널을 가정하였으며, 성능 평가를 위해서는 신호의 압축률(Compression Ratio)과 평균 제곱근 편차(Percent Root Mean Difference) 를 활용하였다.
본 장에서는 제안된 기법의 압축 전송 성능을 비교 검증하였고, 임베디드 실험환경에서의 결과를 기반으로 각 압축방식의 복잡도를 분석하였다. 심전도는 MIT-BIH Arrythmia Database를 활용하였다.
PC는 Matlab을 이용하여 직렬(serial)통신을 하였다. 임베디드 보드의 중앙처리장치(CPU) 중심 복잡도 분석을 진행했으며, 수행 명령 사이클을 측정하였다. DWT(9/7) 압축은 약 80K 사이클의 가장 많은 계산량을 필요로 하며, CS 방식은 10K 사이클 미만의 가장 적은 계산량을 요구한다.
제안하는 압축 전송 기법의 실시간 구현과 복잡도 분석 비교를 위해서, 측정기기는 임베디드 보드를 이용하였고 관리기기는 PC에 구현되었다. 임베디드 보드 사양은 Arm920T core(s3c2410), uart 통신 2port, 10bit adc timer 8channel, 64kb memory, 203Mhz clock 등이다.

이론/모형

심전도의 주기는 일반적으로 동일하지 않은데 적절한 보정(interpolation)을 이용하여 template와 같게 만들어 준다. 본 논문에서는 적은 연산량으로 적용할 수 있는 Lagrange 보간법을 활용하였다. 측정기기와 관리기기 모두 현재 신호를 처리하고 난 뒤, template를 연속적으로 또는 주기적으로 업데이트한다.
매칭 방법은 고정된 template와 새로 측정된 입력값 사이에 유사도를 분석하는 방법이다. 유사도 측정에 주로 사용되는 방법은 평균제곱오차(mean squared error) 가 사용된다. 각각의 매칭 차이 값을 잔차(residual)라고 한다.

성능/효과

단위 심전도는 template 매칭을 이용하여 압축이 진행되며 무손실이 가능한 방식이다. 대표적인 압축 방식인 DCT, DWT, CS와의 비교 실험 결과는 제안하는 기법이 고압축 환경에서 우수함을 보여준다. 물론 고압축률 경우에 DWT(9/7)도 우수한 성능을 보이지만 복잡도가 상당히 높아진다.
template를 이용하게 되면 매칭 차이 값 전송 전에도 높은 복원률을 갖는 장점이 있다. 대표적인 압축 방식인 DCT, DWT, CS와의 압축 성능과 복잡도 분석 비교는 제안하는 기법의 우수성을 보여준다. 그리고 매칭 차이 값 을 압축하여 전송하는 방법도 제안하는 기법과 추가로 비교 분석하였다.
대표적인 압축 방식인 DCT, DWT, CS와의 비교 실험 결과는 제안하는 기법이 고압축 환경에서 우수함을 보여준다. 물론 고압축률 경우에 DWT(9/7)도 우수한 성능을 보이지만 복잡도가 상당히 높아진다. 상대적으로 낮은 압축률에서는 DCT 방식이 좋은 성능을 보여주며, CS는 손실 압축 방식으로 복잡도를 상당부분 낮출 수 있어 제한된 환경에 적합하다.
물론 고압축률 경우에 DWT(9/7)도 우수한 성능을 보이지만 복잡도가 상당히 높아진다. 상대적으로 낮은 압축률에서는 DCT 방식이 좋은 성능을 보여주며, CS는 손실 압축 방식으로 복잡도를 상당부분 낮출 수 있어 제한된 환경에 적합하다. 임베디드 시스템을 활용한 실시간 구현 검증과 복잡도 분석은 제안하는 압축 전송 방식이 상대적으로 높지 않음을 보여준다.
그리고 template 매칭 차 이 값에 대한 압축 기술의 적용도 검증하였다. 성능 향상을 기대할 수 있지만 원래의 신호에 압축을 적용한 경우에 비해 기대치가 크지 않으며, 상당한 복잡도 증가는 피할 수 없다.
상대적으로 낮은 압축률에서는 DCT 방식이 좋은 성능을 보여주며, CS는 손실 압축 방식으로 복잡도를 상당부분 낮출 수 있어 제한된 환경에 적합하다. 임베디드 시스템을 활용한 실시간 구현 검증과 복잡도 분석은 제안하는 압축 전송 방식이 상대적으로 높지 않음을 보여준다. 그리고 template 매칭 차 이 값에 대한 압축 기술의 적용도 검증하였다.
DWT(9/7) 압축은 약 80K 사이클의 가장 많은 계산량을 필요로 하며, CS 방식은 10K 사이클 미만의 가장 적은 계산량을 요구한다. 제안하는 압축 전송 방식, DCT, DWT(Haar), 모두 약 30K 사이클 정도의 복잡도를 보여준다.
압축률이 약 5 부근에서 DWT과 DCT 방식이 효율성에서 역전을 보여준다. 즉, 상대적으로 낮은 압축률에서는 DCT 방식이 가장 좋은 성능을 보여준다. CS는 손실 압축 방식으로 압축률 약 2 부근에서 성능이 우수하다.

참고문헌 (10)

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S. Nayak, M. Soni and Bansal, "Filtering Techniques for ECG Signal Processing," IJREAS, Vol. 2, Issue 2, Feb. 2012.
L. Sharma, S. Dandapat and A. Mahanta, "Multichannel ECG Data Compression Based on Multiscale Principal Component Analysis," IEEE TRANS. ON INFOR. TECH. IN BIOM., Vol. 16, No. 4, July, 2012. https://doi.org/10.1109/TITB.2012.2195322

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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