[논문]휴대용 심전도 측정장치를 위한 실시간 QRS-complex 검출 알고리즘 개발

안휘; 심형진; 박재순; 임종태; 정연호

doi:10.9718/jber.2022.43.4.280

휴대용 심전도 측정장치를 위한 실시간 QRS-complex 검출 알고리즘 개발
Development of Real-time QRS-complex Detection Algorithm for Portable ECG Measurement Device 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.43 no.4, 2022년, pp.280 - 289

안휘 (한밭대학교 전자공학과) , 심형진 (한밭대학교 전자공학과) , 박재순 (한밭대학교 전자공학과) , 임종태 (한밭대학교 산업융합학부) , 정연호 (한밭대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we present a QRS-complex detection algorithm to calculate an accurate heartbeat and clearly recognize irregular rhythm from ECG signals. The conventional Pan-Tompkins algorithm brings false QRS detection in the derivative when QRS and noise signals have similar instant variation. The proposed algorithm uses amplitude differences in 7 adjacent samples to detect QRS-complex which has the highest amplitude variation. The calculated amplitude is cubed to dominate QRS-complex and the moving average method is applied to diminish the noise signal's amplitude. Finally, a decision rule with a threshold value is applied to detect accurate QRS-complex. The calculated signals with Pan-Tompkins and proposed algorithms were compared by signal-to-noise ratio to evaluate the noise reduction degree. QRS-complex detection performance was confirmed by sensitivity and the positive predictive value(PPV). Normal ECG, muscle noise ECG, PVC, and atrial fibrillation signals were achieved which were measured from an ECG simulator. The signal-to-noise ratio difference between Pan-Tompkins and the proposed algorithm were 8.1, 8.5, 9.6, and 4.7, respectively. All ratio of the proposed algorithm is higher than the Pan-Tompkins values. It indicates that the proposed algorithm is more robust to noise than the Pan-Tompkins algorithm. The Pan-Tompkins algorithm and the proposed algorithm showed similar sensitivity and PPV at most waveforms. However, with a noisy atrial fibrillation signal, the PPV for QRS-complex has different values, 42% for the Pan-Tompkins algorithm and 100% for the proposed algorithm. It means that the proposed algorithm has superiority for QRS-complex detection in a noisy environment.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. (좌) Pan-Tompkins 알고리즘의 전처리 과정 블록 다이어그램 (우) 제안한 알고리즘의 전처리 과정 블록 다이어그램 Fig. 1. Block diagram of (left) Pan-Tompkins pre-processing algorithm (right) proposed pre-processing algorithm
그림 그림 2. 잡음이 있는 환경에서 Pan-Tompkins 알고리즘의 전처리 결과 및 QRS-complex 검출 Fig. 2. Pre-processing result and QRS-complex detection of Pan-Tompkins algorithm in noisy environment
그림 그림 3. 샘플링된 심전도 신호 Fig. 3. Sampled ECG signal
그림 그림 4. 시뮬레이터와 장비의 연결과 측정된 ECG 신호. (a) 캐패시티브 전극을 통해 측정 장치와 연결 (b) 측정 장치로 직접 연결 Fig. 4. Connection between simulator and device, and measured ECG signal (a) connection with the measurement system through the capacitive coupled electrodes (b) direct connection with the measurement system
그림 그림 5. 80 bpm 심전도 그래프들 (a) 원신호 (b) Pan-Tompkins 알고리즘 전처리 신호 (c) 제안한 알고리즘 전처리 신호 (빨간색 1점 쇄 선 : SPKI, 검은색 점선 : NPKI) Fig. 5. 80 bpm ECG graphs of (a) Original signal (b) Pre-processed signal by Pan-Tompkins algorithm (c) Pre-processed signal by proposed algorithm (Red dash-single dotted line : SPKI, Black dashed line : NPKI)
그림 그림 6. 근전도 포함된 ECG 신호 그래프들 (a) 원신호 (b) Pan-Tompkins 알고리즘 전처리 신호 (c) 제안한 알고리즘 전처리 신호 (빨간 색 1점 쇄선 : SPKI, 검은색 점선 : NPKI) Fig. 6. Muscle noise ECG graphs of (a) Original signal (b) Pre-processed signal by Pan-Tompkins algorithm (c) Pre-processed signal by proposed algorithm (Red dash-single dotted line : SPKI, Black dashed line : NPKI)
그림 그림 7. PVC 신호 그래프들 (a) 원신호 (b) Pan-Tompkins 알고리즘 전처리 신호 (c) 제안한 알고리즘 전처리 신호(빨간색 1점 쇄선 : SPKI, 검은색 점선 : NPKI) Fig. 7. PVC signal graphs of (a) Original signal (b) Pre-processed signal by Pan-Tompkins algorithm (c) Pre-processed signal by proposed algorithm (Red dash-single dotted line : SPKI, Black dashed line : NPKI)
그림 그림 8. 심방세동 신호의 Pan-Tompkins 알고리즘에 의한 그래프들 (a) 원신호 (b) 미분 신호 (c) 제곱 된 신호 (d) 최종 처리 신호(빨간색 1점 쇄선 : SPKI, 검은색 점선 : NPKI) Fig. 8. Pan-Tompkins algorithm processed atrial fibrillation graphs of (a) Original signal (b) Derivative signal (c) Squared signal (d) final processed signal (Red dash-single dotted line : SPKI, Black dashed line : NPKI)
그림 그림 9. 심방세동 신호의 제안한 알고리즘에 의한 그래프들 (a) 원신호 (b) 7-sample 최댓값 최솟값 차이 신호 (c) 세제곱 된 신호 (d) 최종 처리 신호(빨간색 1점 쇄선 : SPKI, 검은색 점선 : NPKI) Fig. 9. Proposed algorithm processed atrial fibrillation graphs of (a) Original signal (b) 7 adjacent sample’s min-max variation signal (c) Cubed signal (d) final processed signal (Red dash-single dotted line : SPKI, Black dashed line : NPKI)
그림 그림 10. 0-3초 구간 심방세동 그래프들 (a) 원신호 (b) Pan-Tompkins 알고리즘 미분 처리 (c) 제안한 알고리즘 7-sample 최댓값 최솟값 차이 Fig. 10. Atrial fibrillation ECG graphs in 0-3 second interval (a) of original signal, (b) after derivative in Pan-Tompkins algorithm, and (c) after 7 adjacent sample's min-max variation in Proposed algorithm
표 표 1. QRS-complex 검출 성능 비교 Table 1. Comparison of QRS-complex detection quality

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용어 설명 출처 목록 (6)

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