ECG 신호처리 (2)

• R-peak 검출

아마도 ECG 신호처리라는 키워드로 이 블로그 까지 온 사람들은, 대부분 'R-peak 검출'과 '노이즈 제거'라는 큰 키워드에 대해 궁금해하다가 여기까지 오지 않았을까 한다. 이 포스트에서는 R-peak 검출에 대해서 먼저 이야기 해 보자.

왜?

일단 R-peak검출을 하기 전에 왜 R-peak 검출이 필요한 것인가에 대해서 이야기 해 보자.

이미지 출처: http://www.davita-shop.co.uk/ecg-instruments.html

내가 의사가 아니라 아주 자세하게 이야기는 못한다만 (ㅋㅋ)...  위의 그림을 보면 RR-interval, PR, QRS, QT, ST segment등의 용어가 나오는 것을 알 수 있다. 대부분 R-peak을 기준으로 해서 다른 특이점들과의 간격등을 나타내는 값 들이다. 이러한 값들을 계산해 내고, 그 값들이 어느 범위에 속하는지에 따라서 심장 이상의 징후를 포착해 낼 수 있다.

그런데 문제는 위에서 이야기한 심장 이상 징후들이 하루종일 계속해서 나타나지 않는다는데 있다. 다시말하면, 나타나다가 안나타나다가를 반복한다는 것이다. 그래서 제대로 심전도 검사를 할 때에는 꽤 장시간 (경우에 따라 24시간에 이르기도 한다)의 ECG신호를 얻어야 한다. 

예를 들어 10시간의 ECG 데이터를 얻는다고 하자, 1초에 심장이 1회 뛴다고 가정하면 10시간 동안에는 36000번의 심박을 얻게 된다. 게다가 한번에 한 사람의 환자만 검사하는 것이 아니기 때문에, 환자 수 만큼 데이터가 늘어나게 된다.

이것을 사람이 일일이 분석한다는 것은 정말로 비효율적이며, 따라서 ECG신호를 자동으로 분석 해주는 시스템이 필요하게 되었다. 이런 ECG분석 시스템에서 위의 RR-interval 등의 값들을 계산하기 위해서 가장 먼저 수행해야 하는 작업이 바로 이 R-peak 검출이다.

역사 및 배경

일단 구글 학술검색에 가서 R-peak detection 또는 QRS-complex detection이라고 검색해보자.

검색된 논문들의 제목과 그 갯수는 그렇다 치고... 눈에 띄는것 중에 하나가 바로 논문들의 발행 연도다. 2000년 이후에 발표된 논문들은 그닥 많지 않다.

즉, 다시 말하면, 2000년대 이전에, 아마도 70년대 ~ 80년대에 정말 왕성하게 연구되었고, 이제는 거~의 완숙 단계에 올라와 있는 연구분야라고 볼 수 있지 않은가 하는게 짧은 나의 생각이다.

이쪽에서 가장 유명한 논문을 꼽으라면 단연 Pan & Tompkins의 1985년도에 나온 "A Real-Time QRS Detection Algorithm"이다. 무려 인용수가 1500을 넘는다. (원래는 IEEE에 돈을 내야 논문을 볼 수 있지만 아마도 친절한 Dr. Pan께서 PDF를 공개해 놓으신것 같다. 구글 학술검색을 해 보면 PDF를 받을 수 있는 링크가 나온다. 한번 읽어보는것도 나쁘지 않겠으나... 이 논문에 나온대로 알고리즘을 설계하는걸 추천하진 않는다 ㅋㅋ 이유는 나중에 설명하겠다)

이렇게 이미 한번 왕성하게 연구되고, 완숙단계에 올라와 있는 연구주제가 요새들어서 다시 각광을 받고 있는 이유는 내가 아는 한에서 몇가지를 들 수 있는데,

1. 첫 째는 흔히 E-Health/U-Health로 불리는 원격 건강 모니터링/진단 시스템이다. 고령화 사회에 따른 의료비 증가, 고령자의 거동 불편, 스마트 디바이스의 활용범위 확대 등의 이유로 이러한 시스템 개발이 한창이다. 사용되는 센서의 크기가 작고, 그 성능이 병원에서 사용되는 장비보다 떨어지게 되므로, 단연 신호의 질이 안좋을 수 밖에 없다. 따라서, 낮은 SNR상황에서 좀더 안정적으로 R-peak을 잘 검출해 내려고 하는 연구들이 최근 많이 이루어지고 있는 것 같다.
2. 둘 째는 기존 장비들의 성능 향상이다. 심장용 초음파, MRI, CT등의 장비에서는 심장 촬영시에 다양한 목적으로 ECG신호를 사용한다. 초음파 장비의 경우, 초음파 영상의 분석에서 ECG신호를 함께 이용하고, MRI나 CT등의 장비에서는 심장 MRI촬영시에 motion artifact를 줄이기 위한 gating등의 작업을 하는데 사용한다. 여기서도 문제는, 위 장비들에서 ECG를 획득하는 환경과 ECG를 획득하는 모듈의 성능이 모두 ECG만을 측정하는데에 비해서 떨어진다는데에 있다. 특히 MRI의 경우, 강한 자기장과 RF pulse를 이용하므로, 그 안에서 획득한 ECG신호 자체에 큰 왜곡이 나타나게 된다.

계속 업데이트 됨...