심장 쌍극자 모델에 기반한 생리학적 심전도 신호의 합성 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This research focuses on synthesizing physiological electrocardiogram (ECG) signals using a cardiac dipole model that mathematically represents the electrical activity of the heart. PR segments were used as the reference for signal normalization, and a three-dimensional vectorcardiogram (VCG) model was designed based on the Frank Lead system. The synthesized 3D VCG data were utilized to generate Lead I and Lead II signals through inner product calculations, and the results were compared with actual measured data to evaluate the reliability and accuracy of the model. The analysis confirmed a high correlation between the synthesized Lead I and Lead II signals and the actual measured data, demonstrating that the proposed cardiac dipole model can physiologically reflect the electrical activity of the heart. Additionally, key ECG waveforms (P wave, QRS complex, T wave) were quantitatively analyzed using a cardioid-based mathematical modeling approach. The Integral Pulse Frequency Modulation (IPFM) model was applied to generate synthetic ECG signals that incorporate heart rate variability (HRV), resembling actual physiological characteristics. This research demonstrates that synthetic ECG signals can serve as valuable resources for overcoming limitations in clinical and research environments, such as privacy concerns, data imbalance, and noise. The proposed model suggests potential applications in various fields, including early diagnosis, treatment evaluation, and the development of automated algorithms for cardiovascular diseases. Future research will focus on extending the model to incorporate pathological characteristics and further validating its clinical applicability.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 심장의 전기적 활동을 수학적으로 표현하는 심장 쌍극자 모델을 활용하여 생리적 심전도(ECG) 신호를 합성하는 데 중점을 두었다. 신호 정규화를 위해 PR 세그먼트를 기준으로 설정하였으며, Frank Lead 시스템을 기반으로 3차원 벡터 심전도(VCG) 모델을 설계하였다. 설계된 3차원 벡터심전도 데이터를 활용하여 내적 계산을 통해 리드 I 및 리드 II 신호를 생성하였으며, 해당 결과를 실제 측정 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성과 정확성을 평가하였다. 분석 결과, 합성된 리드 I 및 리드 II 신호와 실제 측정 데이터 간에 높은 상관관계가 확인되었으며, 제안된 심장 쌍극자 모델이 심장의 전기적 활동을 생리학적으로 반영할 수 있음을 입증했다.

심장형(Cardioid) 기반 수학적 모델링을 통해 주요 심전도 파형(P파, QRS군, T파)을 정량적으로 분석하였으며, IPFM(Integral Pulse Frequency Modulation) 모델을 적용하여 심박 변이도(HRV)를 반영한 실제 생리적 특성과 유사한 합성 심전도 신호를 생성하였다.

본 연구는 개인 정보 보호, 불균형, 노이즈와 같은 임상 및 연구 환경에서의 한계를 극복하는 데 있어 합성 심전도 신호가 귀중한 자원으로 활용될 수 있음을 보여준다. 제안된 모델은 조기 진단, 치료 평가, 심혈관 질환에 대한 자동화 알고리즘 개발 등 다양한 응용 분야에서 활용 가능성을 제시한다. 향후 연구에서는 병리학적 특성을 통합하여 모델을 확장하고, 임상적 적용 가능성을 더욱 검증하는 데 중점을 둘 예정이다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구의 배경 1
• 제2절 연구의 목적 및 의의 2
• 제2장 연구 이론 및 과정 3
• 제1절 데이터 구성 3
• 제2절 데이터 전처리 5
• 1. 데이터 필터링 5
• 2. 벡터심전도 평균 데이터 제작 6
• 가. 이소전위 비 반영 6
• 나. 이소전위 반영 7
• 제3절 생리학적 기반의 벡터심전도 제작과 쌍극자 모델 검증 9
• 1. 3차원 평균 벡터심전도 제작. 9
• 2. 생리학적 기반의 Torso 모델 제작 10
• 3. 쌍극자 모델 검증을 위한 Lead 측정 10
• 제3장 실험 결과 15
• 제1절 수학적 모델 변환 15
• 1. cardioid 기본 식 15
• 2. 3차원 데이터 모델링 17
• 3. 매개변수 식의 확장 22
• 제2절 실험 결과 25
• 1. 데이터 스케일링과 생리학적 특성 반영 25
• 2. IPFM 모델을 적용한 합성 심전도 신호 29
• 제4장 결론 37
• 참고문헌 39
• 국문초록 43