[論文レビュー] A tool for ECG signal analysis using standard and optimized Hermite transform

Zoja Vulaj, Andjela Draganić+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2017

Blind Source Separation Techniques参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、標準的および最適化されたエルミート変換を用いたECG信号解析のためのMatlabベースのツールを提示する。QRS複合波とエルミート基底関数との形状の類似性を活用することで、少ない係数で高い信号集中が達成される。最適化されたパrameter化されたエルミート変換により、データ表現の要件が低減され、エネルギー集中の面でフーリエ変換を上回り、臨床的およびポータブルモニタリング用途における効率的な信号送信および分類を可能にする。

ABSTRACT

The development of a system that would ease the diagnosis of heart diseases would also fasten the work of the cardiologic department in hospitals and facilitate the monitoring of patients with portable devices. This paper presents a tool for ECG signal analysis which is designed in Matlab. The Hermite transform domain is exploited for the analysis. The proposed transform domain is very convenient for ECG signal analysis and classification. Parts of the ECG signals, i.e. QRS complexes, show shape similarity with the Hermite basis functions, which is one of the reasons for choosing this domain. Also, the information about the signal can be represented using a small set of coefficients in this domain, which makes data transmission and analysis faster. The signal concentration in the Hermite domain and consequently, the number of samples required for signal representation, can additionally be reduced by performing the parametization of the Hermite transform. For the comparison purpose, the Fourier transform domain is also implemented within the software, in order to compare the signal concentration in two transform domains.

研究の動機と目的

• 臨床的およびポータブルモニタリング用途に適した、計算効率の高いECG信号解析ツールの開発。
• QRS複合波との形状類似性により、係数の数を減らしてECG信号を表現できるエルミート変換ドメインの利点を活用すること。
• エネルギー集中およびデータ圧縮の観点から、標準的およびパrameter化されたエルミート変換とフーリエ変換の性能を比較すること。
• 変換ドメインにおける顕著な係数の数を最小限に抑えることで、データ送信および処理の高速化を実現すること。

提案手法

• ECG信号を標準的エルミート基底関数を用いてエルミート変換ドメインに変換する。
• QRS複合波の特徴に合わせてパrameterを調整することで、信号集中を最適化するエルミート変換のパrameter化を適用する。
• 同じMatlab環境内で比較ベンチマークとしてフーリエ変換を実装する。
• 信号エネルギー集中の評価は、正確な信号再構成に必要な顕著な係数の数を分析することで行う。
• 低計算負荷を重視し、リアルタイム解析およびデータ送信をサポートするようにツールを設計する。
• ECG信号を用いてシステムを検証し、変換ドメイン間での係数のスパarsityと再構成忠実度を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー集中の観点から、フーリエ変換と比較して、エルミート変換ドメインはECG信号をどの程度効果的に表現できるか？
• RQ2 エルミート変換のパrameter化は、信号表現に必要な係数の数をどの程度低減できるか？
• RQ3 基底関数との形状類似性により、エルミート変換ドメインはQRS複合波の形態的特徴を効果的に捉えることができるか？
• RQ4 エルミートドメインとフーリエドメインの間で、計算複雑性と信号表現効率のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• エルミート変換ドメインは、フーリエ変換よりも高い信号集中を達成し、正確なECG信号表現に必要な係数が少ない。
• エルミート変換のパrameter化により、顕著な係数の数がさらに削減され、データ圧縮効率が向上する。
• QRS複合波とエルミート基底関数との形状類似性により、最小限の情報損失で効果的な信号表現が可能になる。
• 最適化されたエルミート変換は、エネルギー集中の面で標準的フーリエ変換を上回り、信号送信の高速化と効率化を支援する。