단채널 심전도 기반 바이오인식 시스템 개발

강경우(Gyeong Woo Gang),민철홍(Chul Hong Min),김태선(Tae Seon Kim) 대한전자공학회 2012 電子工學會論文誌-CI (Computer and Information) Vol.49 No.1

최근 새롭게 연구되는 심전도기반 바이오인식은 통상 고가의 심전도 측정 장비를 필요로 하고 측정방법에도 제한이 많아 실제 인식시스템으로 사용하기 위해서는 극복해야할 문제들이 많은 실정이다. 이에 본 논문에서는 심전도 바이오인식용 심전도 측정 하드웨어를 제작해 심전도 리드Ⅰ 파형을 이용한 바이오인식 시스템을 개발했다. 제작된 하드웨어는 측정자의 동적인 측정환경 및 파형왜곡 최소화를 고려해 설계된 필터가 적용되었고, 기준접점을 제거해 두 개의 전극만으로도 심전도 측정이 가능하도록 설계되어 측정자의 거부감을 줄일 수 있다. 제작된 하드웨어를 기반으로 17명의 측정자로부터 심전도 리드Ⅰ 파형을 수집했으며, 파형 추출 알고리즘을 개발해 각각의 단일 심전도 파형으로 분리했다. SVM(support vector machine) 분류기를 이용한 심전도 바이오인식 실험결과 민감도(sensitivity, SN) 98.69% 및 정확도(accuracy, ACC) 97.21% 의 성능을 보였다. 개발된 심전도 바이오인식 기술은 기존 심전도 바이오인식 대비 사용 편의성을 높였으며 저가의 하드웨어로 구현 가능하다. In general, currently developed ECG(electrocardiogram) based biometrics approaches are not suitable for real market applications since they require high cost ECG monitoring device and their measurement methods showed poor usability. In this paper, we developed lead I signal based biometrics system using special purpose ECG measurement hardware. To guarantee signal quality for biometrics from various signal measurement environment in our ordinary life, several filters are applied. In addition, to enhance usability, only two skin on electrodes without reference point are used for measurement. Lead I signals of seventeen candidates are measured from developed hardware and features are extracted. Extracted features are applied to support vector machine (SVM) pattern classifier for biometrics, and the experimental results showed 98.69% of sensitivity (SN) and 97.21% of accuracy (ACC). Compare to conventional ECG biometrics approaches, proposed system showed enhanced usability with low-cost measurement hardware.

운동선수의 안정시 및 점증부하운동 중 심전도 양상

주기찬,고성식,변재경,정덕조,송상협 한국운동과학회 2002 운동과학 Vol.11 No.2

주기찬, 고성식, 변재경, 정덕조, 송상협. 운동선수의 안정시 및 점증부하운동 중 심전도 양상. 운동과학, 제11권 제2호, 467-482. 2002. 본 연구는 운동선수의 안정시 심전도의 특성 및 안정시와 점증부하운동 중 심전도 변화 양상이 운동선수 유형에 따라 어떤 차이를 보이는지, 또 심질환자와 구분 지을 수 있는 척도는 무엇인지 밝히고자 시도하였다. 이를 위해 C시소제 C체육고등학교 학생 144명(남 93명, 여 51명)을 대상으로 하여 안정시 심전도를 측정하였고, 이 중 27명(HS-LD 9명, MS-MD 9명, LS-HD 9명)을 무선표집하여 점증부하운동 중 운동단계별 심전도를 측정하여 집단 간 비교하였다. 안정시 심전도는 정상적으로 분석하였으며 운동 중 심전도는 3(운동유형)×5(운동단계)의 혼합설계 이원분산분석으로 검증하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫째, 운동선수의 안정시 심전도는 일반인의 안전시 심전도에 비해 더 많은 이상 파형을 보였다. 둘째, 안정시 심전도에 나타난 파형은 조기 재분극(남 96.7%, 여 98%), 동성서맥(남 81.7%, 여 45.1%), 좌심실비대(남 52.7%, 여 16.0%), 불완전 우각차단(남 37.6%, 여 17.6%), 동성부정맥(남 21.5%, 여11.8%), 1도 방실차단(남 10.8%, 여 4.0%), 좌우심방비대는 각기 남자에서만 2.2%, 심방조기수축, 심방조율, 결절성 조율, 우심설 비대는 남자에서 1.1%, 그리고 심방조율은 여자에서 2.0%의 빈도율을 보였다. 셋째, 운동 중 심전도 반응은 세 집단 모두 정상적인 반응을 보였고 이것은 안정시에 나타난 운동선수의 이상 파형이 병리적인 현상이 아니라는 것을 뒷받침해 줄 수 있었다. 넷째, Sokolow-Lyon 척도는 지구성 유형의 선수가 주축을 이룬 LS-HD 집단에서 가장 높게 나타났고, 근력 유형외 선수가 주축을 이룬 HS-LD 집단에서 가장 낮게 나타났다. 이것은 운동 유형에 따라 다른 형태로 적응된 심실비대가 심전도 상에서 다르게 나타날 수 있음을 시사한다. Joo, K.C., Ko, S.S, Byeon, J.K., Jung, D.J., Song, S.H. The Electrocardiogram at Rest and during Graded Exercise in Athletes. Exercise Science, 11(2): 467-482, 2002. Our Study was performed for the purpose of examinining what the EGG of athletes would be different from that of non-athletes, what the difference in EGG change during exercise would be like among different type of athletes, and what the useful criteria for identifying pathological EGG patterns might be available. We recruited 144 high school athletes in Chongju city. After resting ECGs of 144 students were tested, we randomly selected 9 from each 3 group of athletes, that was HS/LD, MS/MD, LS/HD. For the first purpose, we analysed resting EGG of 144 athlets. 3(athletic type)×5(exercise stage) combined ANOVA was used for the second purpose. The results we obtained from this study were as followings : First, there appeared abnormal resting EGG patterns in athletes. Second, the majority of ECGs occurred were early repolarization(male 96.7%, female 98.0%), sinus bradycardia(male 81.7%, female 45.1%), LVH(male 52.7%, female 16.0%), IRBBB(male 37.6%, female 17.6%), sinus arrhythmia(male 21.5%, female 11.8%). 1st degree AVB was appeared in 10.8% of male and 4,0% of female athletes. Miscellaneous ECGs were RAH/LAH(male 2.2%), PAC(male 1.1%), Atrial rhythm(male 1.1%, female 2.0%), Junctional rhythm(male 1.1%), and RVH(male 1.1%). Third, Showing normal ECG responses in all the 3 groups of athletes during graded exercise, could support that pathological-like abnormal ECG occurred at rest were only due to the physiologic adaptation to the training. Forth, the fact that Sokolow-Lyon criteria was the highest in LS/HD, and lowest in HS/LD indicated ECG would read differently the type of cardiac hypertrophy due to different training stimuli.

발작성 심방 세동 환자에서 P파 신호 평균화 심전도(P Wave Signal-Averaged ECG) 분석

김진구,김준수,이호현,김인영,이병채,이종연,홍경표,박정의,서정돈,이원로 대한순환기학회 2002 Korean Circulation Journal Vol.32 No.2

IoE와 심전도를 활용한 뇌졸중 사전 진단 기법 개발

민승남,이경선,박세진,김동준 한국감성과학회 2017 춘계학술대회 Vol.2017 No.-

국내에서 뇌졸중은 단일질환으로는 사망원인이 가장 높은 질환으로, 높은 장애 발생률과 합병증으로 인하여 의료비 부담을 가중시키고 있다. 특히 뇌졸중은 고령자에게 높은 비율로 발생하고 있어서 급속한 고령화 추세를 나타내고 있는 우리나라의 경우 질병 부담 측면에서 중요한 보건 문제로 야기되고 있다. 뇌졸중은 초기 사망률이 매우 높은 질환으로 사망원인과 예방을 위한 선제적인 연구들이 활발히 진행되고 있다. 그 중 생체신호를 측정하여 뇌졸중을 판단하고자 하는 연구를 다양한 분야에서 시도하고 있다. 선행연구의 결과를 살펴보면, 이영수 (2015)는 뇌졸중 발생의 주된 원인으로 심박세동 문제를 제시하였으며 심박기박동의 발견이 뇌졸중 환자나 무증상 환자에서 발작성 심방세동으로 진행하는 인자로 보고하였다. 또한 뇌졸중 발생 3개월이 지난 237명을 대상으로 30일 동안 심전도 모니터링을 통하여 심방세동 진단 여부를 분석한 결과, 심방조기박동이 24시간 이내 1,500개 이상인 경우 뇌졸중 환자로 판명되는 경우가 40%를 차지한다고 하였다. 이처럼 심전도는 뇌졸중 진단을 위하여 유용하게 활용될 수 있는 장비이다. 따라서 본 연구에서는 심전도에서 나타나는 R-R interval에서 도출될 수 있는 정량적 데이터를 통해서 건강한 사람의 심전도 지표를 제시하고 기존 연구고찰을 통해서 뇌졸중 환자에 대한 심전도 지표를 도출하여 상대적으로 비교하고자 하는 것이 궁극적인 목적이다. 이를 위해 건강한 사람 30명에 대한 심전도 데이터 측정 및 기존연구를 통해서 20명 뇌졸중 환자에 대한 심전도 데이터를 수집하였다. 수집된 데이터를 활용하여 주파수 분석을 위해 FFT(Fast Fourier Transformation)를 실시하였으며, 24시간 동안에 R-R interval에 대한 표준편차와 5분 간격으로 R-Rinterval에 대한 표준편차를 구해 비교하였으며, 뇌졸중 환자에 대한 지표는 35.3±18.9ms로 나타났으며(김용욱 외, 2005) 정상인은 62.1±8ms로 나타났으며 뇌졸중 환자와 정상인에 대한 차이가 유의미하게 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 스마트 폰을 이용한 패치 부착형 자가 뇌졸중 사전 탐색 장비를 개발하였으며, 심전도가 35.3±18.9ms 범위안에 들면 뇌졸중환자로 병원으로 추천, 62.1±8ms범위 안에 들면 정상, 뇌졸중 환자와 정인상인 심전도 범위 사이값에 들면 경고표시가 나타나게 하여 실사용자가 알 수 있게 구성하였다. 추후심전도 데이터의 주파수 분석 및 P, Q, R, S, T 파형을 분석하여 지표 또는 알고리즘을 만든다면 좀 더 정확한 뇌졸중 사전 탐색 장비를 만들 수 있을 것이다.

심전도의 디지털 기록화 모듈과 개인용컴퓨터 저장/분석시스템의 개발

조명찬,김기석,배장환,연태진,김동운,이태수,전은석,김유진 충북대학교 의학연구소 2001 忠北醫大學術誌 Vol.11 No.2

연구목적: 현재 우리나라의 의료분야에서는 정보기술의 발전으로 처방 전달 시스템과 전자차트의 활용이 상용화 되고 있으나 병원내에서 가장 많이 처방되고 검사되는 12-유도 심전도의 디지털화와 이에 연계된 심전도 결과의 개인용 컴퓨터로의 저장, 인터넷을 이용한 병원으로의 전송이나 타 기관에서의 심전도 결과의 동시 관찰 등에 관한 기술 등은 개발되지 못한 상태이다. 이에 본 연구에서는 심전도를 디지털화하며 저장이 가능한 PC 모듈을 개발하고 심전도 결과를 병원 전산 시스템에 포함시켜 병원내외에서 편리하게 조회, 검색할 수 있는 디지털 인터페이스를 개발하려 하였다. 재료 및 방법 : 낮은 전력에서 잡음특성이 우수한 대역여파기와 증폭기를 설계하였으며 각종기능이 내장된 고신뢰성 프로세서를 채택하였으며 전원 잡음이 고려된 필터와 전원 회로 설계로 하드웨어를 개발하였다. MSC 6.0과 Visual Basic 6.0을 바탕으로 하여 active X 모듈화를 유도하고 조회용 PC에서의 복원과 PACS로의 연동을 통해 순환기내과용 PACS 개발이 가능하도록 소프트웨어를 준비하였다. 결과: 심전도 검사자가 쉽게 장착, 검사가 가능한 소형화된 측정 모듈을 개발하였고 극저전류에서 동작이 가능하였으며 우수한 데이터의 압축 및 복원률을 구현하였다. 결론: 이번 심전도 디지털 모듈의 개발로 기존의 감광지에 의존하던 심전도 결과의 보존과 보관공간에 의한 경제적인 손실을 상당 부분 해결할 수 있으며 OCS에 연계된 결과로 인해 원내에서의 다면적 진료가 가능하다. 이번 연구에서 개발된 기술은 향후 디지털화된 심전도 기록장치와 같은 고부가 의료장치의 국산화와 광파일 의무기록 시스템이나 검사물의 무선 전송에 채용되어 의료 전달 체계나 응급체계의 발전에 기여하리라 사료된다. Purpose : The progressed communication technology commercialized the order communication system ( OCS) and the electric medical records( EMR) in the field of medicine in Korea. However, technologies of digitalization such as recording to personal computer, transfer to internet and simultaneous observation of electrocardiogram ( ECG) recorded at the different center were not realized yet. This study tried to invent personal computer module that can digitalize and record of the ECG and design the digital interface that can approach and search digitalized ECG in various part of hospital simultaneously. Materials and Methods : We had designed high-fidelity digital filter and amplifier which can work in very low voltage, had selected multifunctioned microprocessor. Activation X modulation was conducted by MSC 6.0 and Visual Basic 6.0. Softwares were prepared for the transfer of ECG informations from terminal PC to PACS and cardiologic PACS was designed for future application. Results : We have developed the small, portable, very low voltage managed ECG module and high quality digitalized information compression software in OCS and PACS. Conclusion : This invented ECG digital archive module can save hospital cost by substitution of ECG papers for digital storage or on-line storage, therefore ECG data can be handled in multisector of the hospital and through telemedicine. This technology can be applied to domestic ECG digitalizing device development and effective medical transfer system by adoption cordless medical information delivery.

정상 성인에서 후벽 흉부유도 심전도의 형태

임지현,김양호,김용석,이진구,최필순,류재영,김남호,문용 대한순환기학회 2002 Korean Circulation Journal Vol.32 No.6

원저 : 비만 환자에서 심전도에 의한 좌심실 비대의 진단

홍진숙 ( Jin Sook Hong ),박경희 ( Kyung Hee Park ),박지회 ( Ji Hoe Park ),송홍지 ( Hong Ji Song ),백유진 ( Yu Jin Paek ),조정진 ( Jung Jin Cho ),조규종 ( Gyu Chong Cho ) 대한비만학회 2005 The Korean journal of obesity Vol.14 No.4

연구배경: 비만 환자에 있어서 심전도 검사는 전흉부 전극과 좌심실 사이의 피하지방 증가로 인하여 심전도 진폭이 감소하기 때문에 좌심실 비대 진단의 민감도가 떨어질 수 있다. 본 연구는 비만이 심전도에 의한 좌심실 비대의 진단에 미치는 영향을 분석하고, 널리 사용되고 있는 심전도 진단 방법들의 유용성을 서로 비교해 보고자 한다. 방법: 2003년 6월부터 2004년 3월까지 일개 대학병원 심장내과 외래에 내원하여, 심전도 및 심초음파 검사를 시행 받은 성인 159명을 체질량지수 25㎏/㎡을 기준으로 비비만군과 비만군으로 분류하여 분석하였다. 심초음파 검사에 의한 좌심실 질량지수를 이용한 좌심실 비대 진단을 gold standard로 하여 심전도 검사에서 Sokolow-Lyon법과, Romhilt-Estes point scoring법, 그리고 Cornell법 등으로 진단한 좌심실 비대의 민감도와 특이도를 계산했다. 결과: Sokolow-Lyon 진폭은 비만군에서 유의하게 작았다 (비비만군: 27.7±10.8㎷, 비만군: 23.2±8.9㎷, P=0.004). 심초음파로 측정된 좌심실 질량 지수와 각 심전도 진단법의 지수들은 모두 유의한 양의 상관관계를 보였다. 좌심실 비대 진단의 민감도는 Sokolow-Lyon 방법이 비만군에서 더 낮았으며 (비비만군: 50%, 비만군: 17.6%) Cornell 방법을 사용한 경우에는 민감도가 오히려 비만군에서 더 높았다 (비비만군: 26.9%, 비만군: 32.4%). 결론: 심전도로 좌심실 비대를 진단할 때, Sokolow-Lyon 방법은 체질량지수 25㎏/㎡ 이상의 비만 환자에서 좌심실 비대 진단의 민감도가 매우 낮았으며, Cornell 방법은 비만 여부에 크게 영향을 받지 않았다. 비만 환자의 경우, Sokolow-Lyon 방법은 좌심실 비대를 저평가 할 수 있을 가능성이 크므로 심전도에 의한 좌심실 비대 선별검사 시 피검자의 비만여부에 따라 다른 방법의 판정방법을 선택하는 것이 필요하다. Background: Obesity may limit sensitivity of ECG voltage criteria for left ventricular hypertrophy (LVH) because of increased distance of exploring electrodes from the left ventricle. So we aimed to evaluate the influence of obesity on the diagnostic value of electrocardiographic criterions for detecting LVH. Methods: From June 2003 to march 2004, 159 consecutive patients who visited the department of cardiology of one university hospital, were enrolled in this study. Echocardiographic LVH used as gold standard was defined by left ventricular mass indexed to body surface area and height(2.7). The accuracy of the Sokolow-Lyon voltage criteria, Romhilt-Estes point scoring criteria, and Cornell criteria were examined and compared according to obesity. Results: The amplitude of Sokolow-Lyon voltage in obese group was significantly lower than that in non-obese group and less correlated to left ventricular mass index than Cornell voltage or Romhilt-Estes point score. Compared with the sensitivity in normal-weight patients, the sensitivity of Sokolow-Lyon voltage criteria in obese patients was markedly decreased (non-obese: 50.0%, obese: 17.6%). The sensitivity of Cornell voltage in obese group was not lower than that in non-obese group (non-obese: 26.9%, obese: 32.4%). Conclusion: Using Sokolow-Lyon voltage criteria can underestimate the presence of the left ventricular hypertrophy in obese patients, whereas Cornell criteria appears less dependent on body status. These findings have important clinical and epidemiologic implications for detecting left ventricular hypertrophy in obese person.

IEEE 802.15.4에 기초한 작은 동물을 위한 무선 심전도 감시 시스템

김동식(Dong Sik Kim),진주연(Juyoun Jin),조미영(Mi-young Jo),남도현(Do-Hyun Nam) 대한전자공학회 2009 電子工學會論文誌-SC (System and control) Vol.46 No.3

심전도는 심장이 박동할 때 발생하는 전압을 그래프로 기록한 것으로 사람이나 동물의 심장 상태를 알아보기 위해 매우 유용하다. 본 논문에서는 쥐와 같이 작은 동물의 실험용으로 사용이 가능한 심전도 측정 장치를 연구하고 구현하였다. 이는 치료약물 개발에 있어서 부작용등의 관찰을 위해 매우 유용하다. 사람의 경우보다 매우 빠른 동물의 심전도를 측정하기 위하여 빠른 샘플링 주기와 처리 능력을 가지고 있으며, 일반적인 동물의 활동하는 동안에도 측정이 가능하도록 하기 위하여 몸에 부착이 가능한 초소형 모듈에 IEEE 802.15.4 기반의 무선으로 실시간 모니터링이 가능한 시스템을 구현하였다. 쥐와 같은 작은 동물에 적용하여 성공적으로 심전도를 얻을 수 있었다. Electrocardiogram (ECG) is a graphical record of the voltages generated during the heart beats, and is very useful in observing the status of the heart of the human or animals. In this paper, an ECG monitoring system is developed for the small animals, such as the rat. This system is very useful in monitoring the side effect of drugs. Since small animals have faster heart rate than the human case, the monitoring system has a faster sampling frequency and processing speed. Furthermore, for a realtime monitoring of the small moving animals, the system is composed of a small wireless ECG module, which is based on the IEEE 802.15.4 wireless physical layer. The developed wireless ECG system can successfully monitor the ECG of small animals, such as the rat.

심전도기반 u-Healthcare 시스템을 위한 파형추출 방법

민철홍(Chul Hong Min),김태선(Tae Seon Kim) 大韓電子工學會 2009 電子工學會論文誌-CI (Computer and Information) Vol.46 No.6

본 논문에서는 심전도 기반의 u헬스케어시스템을 위한 다용도 신호추출 방법을 제안한다. 심전도 기반의 u헬스케어시스템 구현을 위해서는 심장질환 진단을 위한 QRS파형의 추출기술이 필수적이다. 또한, 보안성 및 편의성을 위하여 u헬스케어시스템에서 ECG신호와 같은 생체신호에서 직접 사용자의 신원을 확인할 수 있는 생체인식기능을 보유하고 있다면 매우 유용하다. 이를 위해서 본 논문에서는, 리드Ⅱ 파형으로부터 QRS파형을 추출하고, 또한 상대적으로 노화 및 질환에 따른 변동에 강건한 리드Ⅲ 파형으로부터 생체인식을 위한 신호추출법을 제안한다. 리드Ⅱ 파형으로부터 QRS신호추출성능을 검증하기 위해 MIT-BIH 데이터베이스의 심전도신호가 사용되었고 99.36%의 정확도 및 99.68%의 민감도성능을 보였다. 또한 생체인식용 신호추출성능평가를 위해서는 다양한 측정환경을 고려하기 위해 음주, 흡연 및 운동 직후 리드Ⅲ파형이 측정되었고 99.92%의 정확도 및 99.97%의 민감도 성능을 보였다. In this paper, we proposed multipurpose signal detection methods for ECG (electrocardiogram) based u-healthcare systems. For ECG based u-healthcare system, QRS signal extraction for cardiovascular disease diagnosis is essential. Also, for security and convenience reasons, it is desirable if u-healthcare system support biometric identification directly from user's bio-signal such as ECG for this case. For this, from Lead II signal, we developed QRS signal detection method and also, we developed signal extraction method for biometric identification using Lead II signal which is relatively robust from signal alteration by aging and diseases. For QRS signal detection capability from Lead II signal, ECG signals from MIT-BIH database are used and it showed 99.36% of accuracy and 99.68% of sensitivity. Also, to show the performance of signal extraction capability for biometric diagnosis purpose, Lead III signals are measured after drinking, smoking, or exercise to consider various monitoring conditions and it showed 99.92% of accuracy and 99.97% of sensitivity.

심초음파용 실시간 심전도 QRS 검출 모듈에 관한 연구

장원석(Won-Seuk Jang),김남현(Nam-Hyun Kim),김응석(Eong-Sok Kim),전대근(Dae-Keun Jeon) 大韓電子工學會 2010 電子工學會論文誌-SC (System and control) Vol.47 No.3

In this study, we investigated the performance of real-time QRS complex detection algorithm in physio-module for echocardiography. The performance of QRS detection module in echocardiography was evaluated according to international standard, EC-13 and we compared with commercialized physio-module with QRS complex detection. In this study, we can get performance of QRS complex detection, pacer pulse detection, Tall t-wave rejection and arrhythmia detection within EC-13's criteria and we can get improved QRS trigger delay time and baseline wondering rejection times in compared with commercialized physio-module. 본 연구는 심초음파에서 사용되는 실시간 심전도 QRS 검출성능 및 심전도 trigger 시간 지연 등의 생체신호측정모듈의 성능 개선을 확인하고자 하였다. 심초음파에서 사용되는 생체신호측정모듈의 심전도 QRS 검출에 대한 성능 평가 중에서 심전도 QRS 크기와 폭에 따른 검출성능, Tall T-wave 제거성능, 부정맥이 있는 심전도의 QRS 검출성능 및 Pacer pulse 검출성능은 심전도 국제 규격인 EC-13을 기준으로 성능을 비교 평가하였으며, QRS의 trigger 신호 지연 시간 및 기저선 복귀시간은 기존에 상용화되어 심초음파에 사용되고 있는 생체신호측정모듈의 성능과 비교 평가하였다. 본 연구에서는 위 4가지 항목은 국제규격인 EC-13 기준을 크게 만족하였으며, QRS의 trigger 신호 지연 시간은 심박수에 따라 17m~21㎳ 빠른 검출 결과를 보였으며 심전도 기저선 복귀시간도 1 beat 이상 빠른 결과를 보였다.