[논문 리뷰] Extract fetal ECG from single-lead abdominal ECG by de-shape short time Fourier transform and nonlocal median

Li Su, Hau‐Tieng Wu|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 09.

ECG Monitoring and Analysis참고 문헌 45인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 심박수 추정을 위한 데-셰이프 단기 푸리에 변환(STFT)과 파형 복원을 위한 비국소 중앙값 필터링을 사용하여 단일 유도 복부 심 electrocardiogram(aECG)에서 태반 심전도(fECG)를 추출하는 새로운 방법을 제안한다. 추가적인 유도 없이도 높은 정확도를 달성하며, 시뮬레이션 및 실제 데이터베이스에서 우수한 성능을 보이며, 비정상 맥박과 双태 임신 적용 가능성까지 고려하여 강건한 성능을 입증한다.

ABSTRACT

The multiple fundamental frequency detection problem and the source separation problem from a single-channel signal containing multiple oscillatory components and a nonstationary noise are both challenging tasks. To extract the fetal electrocardiogram (ECG) from a single-lead maternal abdominal ECG, we face both challenges. In this paper, we propose a novel method to extract the fetal ECG signal from the single channel maternal abdominal ECG signal, without any additional measurement. The algorithm is composed of three main ingredients. First, the maternal and fetal heart rates are estimated by the de-shape short time Fourier transform, which is a recently proposed nonlinear time-frequency analysis technique; second, the beat tracking technique is applied to accurately obtain the maternal and fetal R peaks; third, the maternal and fetal ECG waveforms are established by the nonlocal median. The algorithm is evaluated on a simulated fetal ECG signal database ({\em fecgsyn} database), and tested on two real databases with the annotation provided by experts ({\em adfecgdb} database and {\em CinC2013} database). In general, the algorithm could be applied to solve other detection and source separation problems, and reconstruct the time-varying wave-shape function of each oscillatory component.

연구 동기 및 목표

• 모성 흉부 심전도 또는 다수의 복부 유도와 같은 추가 측정치가 없는 단일 모성 복부 심전도 유도에서 태반 심전도를 추출하는 문제를 해결하기 위해.
• 비정상적이고 노이즈가 많은 단일 채널 신호에서 다중 기본 주파수 탐지 및 소스 분리의 이중 과제를 극복하기 위해.
• fECG 재구성에 있어 fECG나 모성 심장의 형태에 대한 사전 지식 없이도 aECG 신호 내 숨겨진 시간적 및 주파수적 구조를 활용할 수 있도록 하기 위해.
• 태반 심박수 및 형태 모니터링을 위한 비침습적 장기 모니터링을 가능하게 하여 태반 불안정성 감지 등의 임상적 응용에 기여하기 위해.
• fECG를 초월한 다성분 진동 신호 분리 문제에 일반화 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 비선형적 신호 형태 적응을 통해 시간-주파수 표현을 분석함으로써 데-셰이프 단기 푸리에 변환(STFT)을 사용해 모성 및 태반 심박수를 추정한다.
• 추정된 심박수를 기반으로 빗점 추적 기법을 적용하여 모성 및 태반 심전도 성분의 R-파형을 정밀하게 탐지한다.
• 신호의 시간 세그먼트 간 자기 유사성을 활용하여 비국소 중앙값 필터링을 통해 모성 및 태반 심전도 파형을 재구성한다.
• 유사한 심장 박동(예: 정상 R-파형)이 신호 전반에 걸쳐 공간적으로 분포되어 있음을 가정함으로써 노이즈 억제 및 파형 복원이 가능하다.
• 시간-주파수 표현에서 수정된 알고리즘을 사용해 순순한 심박수 경로를 추출한다.
• 모성 또는 태반 심전도 형태에 대한 사전 지식이 필요 없기 때문에 개인 맞춤형 비침습적 모니터링에 적합하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모성 흉부 심전도 또는 다수의 복부 유도와 같은 추가 측정치 없이도 단일 유도 복부 심전도에서 정확하게 태반 심전도를 추출할 수 있는가?
• RQ2 데-셰이프 STFT 기법은 비정상적이고 노이즈가 많은 신호에서 시간에 따라 변화하는 다중 심박수를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 비국소 중앙값 필터링을 통해 단일 채널 혼합 신호에서 정확한 태반 및 모성 심전도 파형을 얼마나 잘 복원할 수 있는가?
• RQ4 비정상 맥박, 자궁 수축, 이중 임신과 같은 임상적으로 관련된 과제 상황에서 이 방법의 성능은 어떠한가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 태반 심전도를 초월한 다성분 진동 신호 분리 문제에 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• CinC2013 및 adfecgdb 데이터베이스에서 알고리즘이 높은 F1-스코어를 기록하였으며, 대부분의 경우 F1 > 80%를 달성하여 R-파형 탐지 및 fECG 추출에서 뛰어난 성능을 입증하였다.
• 비국소 중앙값 필터링이 정상 및 비정상 맥박을 파형 유사성 기반으로 별도로 그룹화함으로써 태반 및 모성 비정상 맥박에 대해 강건함을 입증하였다.
• 시뮬레이션된 fecgsyn 데이터베이스에서는 고노이즈 및 복잡한 형태조차도 알고리즘이 fECG를 성공적으로 추출하였으며, 최신 기술 수준의 방법과 유사한 성능을 보였다.
• 데-셰이프 STFT는 비정상적이고 주파수 겹침이 있는 신호에서도 시간에 따라 변화하는 모성 및 태반 심박수를 정확하게 추정하는 데 기여하였다.
• 이중 임신 적용 가능성은 시간-주파수 표현에서 다중 태반 심박수 성분이 명확히 관찰되어 잠재적 가능성을 보였지만, 추가 제약 조건이 없을 경우 곡선 추출은 여전히 과제로 남아 있다.
• 강한 자궁 수축이 존재할 경우 알고리즘이 성능을 저하시켜 5분 세그먼트에서 F1-스코어가 80% 이하로 떨어졌으며, 향후 연구에서 노이즈 모델링 향상의 필요성이 제기되었다.