Co m pu t er   Science  a n d In f o r m a t io n T ec hn o lo g ies   Vo l.   2 ,   No .   3 No v em b er   202 1 ,   p p .   1 13 ~ 1 20   I SS N:  2722 - 3221 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / csit . v 2 i 3 .p 1 13 - 1 20       113       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s p r ime. co m/in d ex . p h p /csi t   Les co m pu tatio n a l appro a ch t o  de tect Q RS co m plex es in EC G   rhy th m s       T a riq M .   Yo un es 1 ,   M o ha m m a d A l k he dh er 2 ,   M o ha m a d Al  K ha w a ldeh 3 ,   J a la l N a wa s h 4 ,     I bra hi m   A l - Abba s 5   1, 3, 5 De p a rtm e n o f   M e c h a tro n ics   En g in e e rin g ,   A Ba lq a   A p p li e d   U n iv e rsity ,   A l - S a lt ,   Jo rd a n   2 M e c h a n ica En g in e e rin g   De p a rt m e n t,   A b u   Dh a b i   Un iv e rsity ,   A b u   Dh a b i,   U n it e d   A ra b   Em irat e s   4 P h y sic s De p a rt m e n t,   Un iv e rsity   o f   W isc o n sin   -   W h it e w a ter,  W h it e wa ter,  USA       A rt icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   A ug   1 8 ,   2 0 2 0   R ev i s ed   M ar   8 ,   2 0 2 1   A cc ep ted   M ar   13 ,   2 0 2 1       El e c tro c a rd io g ra m   (EC G sig n a ls  a re   n o rm a ll y   a ff e c ted   b y   a rti f a c ts  th a re q u ire  m a n u a a ss e ss m e n o u se   o f   o t h e re f e re n c e   sig n a ls.   Cu rre n tl y ,   Ca rd io g ra p h a re   u se d   to   a c h iev e   b a sic   n e c e ss a r y   h e a rt  ra te m o n it o rin g   in   re a c o n d i ti o n s.  T h is  w o rk   a i m to   stu d y   a n d   id e n t ify   m a in   EC G   f e a t u re s,  QRS  c o m p lex e s,  a o n e   o f   th e   ste p o f   a   c o m p re h e n siv e   EC G   sig n a a n a l y sis.  T h e   p ro p o se d   a lg o rit h m   su g g e ste d   a n   a u to m a ti c   re c o g n it io n   o f   QRS  c o m p lex e in   ECG   rh y th m .   T h is  m e th o d   is   d e sig n e d   b a se d   o n   se v e ra f il te stru c tu re   c o m p o se lo w   p a ss ,   d iff e r e n c e   a n d   su m m a ti o n   f il ters .   T h e   f il tere d   s ig n a is  fe d   to   a n   a d a p ti v e   t h re sh o l d   f u n c ti o n   t o   d e tec QRS   c o m p lex e s.  T h e   a lg o rit h m   w a s   v a li d a ted   a n d   re su lt w e re   c h e c k e d   w it h   e x p e rim e n tal  d a ta  b a se d   o n   se n siti v it y   tes t.   K ey w o r d s :   Au to m a tic  r ec o g n itio n   E C   No is r e m o v al   QR S d etec tio n   Sig n al  p r o ce s s i n g   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Mo h a m m ad   A l k h ed h er   Me ch an ical  E n g i n ee r in g   Dep a r t m en t   A b u   Dh ab i U n i v er s it y   A b u   Dh ab i,  5 9 9 1 1   Un ited   A r ab   E m ir ate s   E m ail:  m o h a m m ad . alk h ed h er @ ad u . ac . ae       1.   I NT RO D UCT I O N   No w ad a y s ,   o n o f   th m o s co m m o n   m et h o d s   f o r   d iag n o s is   a n d   r ec o g n it io n   o f   ca r d io v a s cu l ar   d is ea s es  is   elec tr o ca r d io g r ap h y   ( E C G) .   T h E C s ig n al  is   ch ar ac ter i ze d   b y   s et  o f   p ea k s .   I n   th ese  p ea k s ,   th ti m an d   a m p lit u d p ar am eter s   ar d iag n o s ed   [ 1 ] .   A s   n o r m al  p r ac tice  b y   ca r d io lo g is t s ,   th p r o ce d u r o f   f in d i n g   t h e   ch ar ac ter is tic s   o f   E C p ea k s   is   p er f o r m ed   u s in g   d r a w i n g   ac ce s s o r ies.  Su c h   s ch e m i s   q u ite  s i m p le  an d   r eliab le,   b u it  is   ti m e - co n s u m i n g   a n d   r eq u ir es  an   e x p er t.  Du e   to   th lack   o f   al ter n ati v ap p r o ac h es,  d iag n o s i n g   E C p atter n s   u s i n g   t h is   m et h o d   h as  b ee n   i m p le m e n ted   f o r   s ev er al  d ec ad es  [ 2 ] .   Mo s o f   t h h ea r d is ea s e s   ar e   d iag n o s ed   u s i n g   E lectr o ca r d io g r a m   s i g n a ls .   T h ac c u r ate  an al y s e s   o f   th e s b io lo g ic  s i g n a l s   m ak it e x tr e m e l y   i m p o r tan in   d etec tin g   h ea r r h y th m   ir r eg u lar itie s   an d   th d iag n o s is   o f   Hea r R ate  Var iab ilit y   ( H R V) .   E x tr ac tio n   o f   th Q R co m p le x   an d   o b tain i n g   i ts   ch ar ac ter i s tics   i s   o n o f   th m o s i m p o r ta n p ar ts   in   E C s ig n al   p r o ce s s in g   an d   a n al y s i s ,   esp e ciall y   t h w a v e   k n o w n   a s   R .   R ec en t   ad v a n ce s   i n   elec tr o n ic   m ed ical  eq u ip m e n m ad it  p o s s ib le  f o r   ex p er i m en tal,   cli n ical,   an d   p r ev en tiv e   m ed icin to   u tili ze   en g i n ee r i n g   e x p er tis i n   th e   d esig n   o f   co m p lex   co n tr o s y s te m s   t h at  ar r elate d   to   th d iag n o s is   o f   th s ta te  o f   th h u m an   b o d y   [ 3 ] .   T h ese   tech n o lo g ical  d ev elo p m e n ts   al lo w ed   th au to m atic  d iag n o s is   o f   f etal  h ea r t r ate  u s in g   d if f er en m et h o d o lo g ical   ap p r o ac h es  [ 4 ] .   I n v esti g ati n g   v ar io u s   d iag n o s tic   m e th o d s   s h o w s   th a t h m o s u s e f u i n f o r m atio n   o n   t h e   f u n ctio n i n g   o f   i n te r n al  o r g a n s   an d   p h y s io lo g ical  s y s te m s   o f   h u m an   b o d y   is   co n tai n ed   in   b io elec tr ic  s ig n al s .   T h ese  s ig n a ls   ar tak en   f r o m   v ar io u s   ar ea s   p ar ts ,   u n d er   th s k in   o r   f r o m   t h s u r f ac o f   th b o d y   [ 5 ] .   T h is   r ef er s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2722 - 3221   C o m p u t.  Sci.  I n f .   T ec h n o l. ,   Vo l.  2 ,   No .   3 No v em b er   20 2 1 1 13     1 20   114   to   th elec tr ical  ac ti v it y   o f   th e   h ea r t,  th elec tr ic   f ie ld   o f   t h b r ain ,   an d   t h elec tr ical  p o ten t ia ls   o f   b o d y   m u s cles   [ 6 ] .   I n   g en er al,   a n y   elec tr o p h y s io lo g ical  s t u d y   i s   r ep r esen ted   b y   t h r ee   s u cc es s i v s tag e s r e m o v al,   r e g is tr atio n   an d   p r o ce s s in g   o f   b io elec tr ic  ac tiv it y   s i g n al s   [ 7 ] .   T h s p ec if ic  f ea tu r es  i n h er ited   in   p ar ticu lar   m et h o d   o f   i m p le m en t in g   ea c h   o f   th e s s tag es  ab o v d eter m i n t h s et   o f   r eq u ir e m e n t s   a n d   r estricti o n s   o n   th p o s s ib le   i m p le m en ta tio n   o f   th o th er   s t ag es  [ 8 ] .   Fo r   s ev er al  d ec ad es,  t h r eliab ilit y   o f   b io elec tr ic  s tu d ies w as  li m ited   b y   th tec h n ica ca p ab ilit ies  o f   r e co r d in g   an d   d is p la y in g   i n f o r m atio n .   T h is   h i n d er ed   th d ev el o p m e n o f   m et h o d s   f o r   th a u to m a tic  p r o ce s s i n g   o f   elec tr o ca r d io g r am   s i g n als.  Du r i n g   th e   last   d ec ad e ,   d ev elo p m en in   m icr o elec tr o n ics   an d   co m p u t er   tech n o lo g y   a llo w ed   th e li m i n atio n   o f   in s tr u m e n tal  d i s to r tio n s ,   a n d   th e   ap p licatio n   o f   d i g ital   s i g n a p r o ce s s in g   m et h o d s ,   t h i m p le m en tatio n   o f   w h ic h   w as  p r ev io u s l y   i m p o s s ib le.   s p ec ial  p o in a m o n g   elec tr o p h y s io lo g ical  d iag n o s tic  m et h o d s   is   m ea s u r i n g   a n d   p r o ce s s in g   o f   a n   el ec tr o ca r d io g r am .   Si n ce   th elec tr o ca r d io g r am   is   th m ain   i n d icato r   th at  cu r r en tl y   allo w s   t h p r o p h y lact ic  an d   th er ap eu tic  co n tr o o f   ca r d io v ascu lar   d is ea s e s t h ef f ec ti v e n es s   o f   elec tr o ca r d io g r ap h ic  d iag n o s t ic  m et h o d s   ca n   b f ac ili tated   b y   t h w ell - estab l i s h ed   lead   s y s te m   a n d   w id esp r ea d   u s o f   q u a n tita tiv E C in d icato r s .   Dete ctio n   a n d   id en tific atio n   o f   Q R S   co m p lex e s   ar o n o f   t h m ai n   ta s k s   i n   t h a n al y s i s   o f   ca r d io g r a m   [ 9 ] .   T h s ep ar atio n   o f   QR co m p l ex es h elp s   to   s o lv p r o b le m s   s u ch   a s   an al y s i s   o f   t h E C r h y th m ,   r ec o g n itio n   o f   P ,   QR S,  T   f ea tu r es,  an d   co m p r ess io n   o f   t h ca r d io g r a m .   I n   o r d er   to   co m p lete  th s i g n a av er ag i n g   p r o ce s s ,   r ef er en ce   p o in ts   m u s t b d ef in ed   in   ea ch   c y cle.   P ea k   lo ca tio n s   o f   R   w a v es a r u s ed   as r ef e r en ce   p o in ts .   Fig u r e   1 ( a)   s h o w s   p ar t o f   ca r d io g r a m   w it h   n o r m a l h ea r t r h y t h m .   Fi g u r e   1   ( b )   ca r d io g r am   k e y   f ea t u r es.           ( a)   E C s a m p le  s i g n al   ( b )   E C em b ed d ed   co m p le x e s     Fig u r e   1 .   T h ese  f ig u r es a r e;   ( a)   Sa m p le  o f   r etr iev ed   ca r d io g r a m   s i g n al  w it h   n o r m a l h ea r t r h y t h m   ( b )   E C m ai n   ch ar ac ter is t ics  f ea tu r e s ,   in clu d i n g   P ,   T ,   an d   QR S c o m p lex es.       Sev er al  ap p r o ac h es su g g e s ted   alg o r ith m s   as  h id d en   Ma r k o v   m o d el s   [ 1 0 ]   f o r   o n lin r h y th m   r ec o r d in g   o f   an   E C s i g n a l.  Fo r   s u ch   ap p r o ac h es,  t w o   lead s   o f   c ar d io g r am   ar u s ed   s i m u lta n e o u s l y ,   alt h o u g h   th i s   m et h o d   p r o v id es  s o m ad v an tag es,  ti m es  o f   h ea r tb ea ts   g i v en   b y   th e s lead s   m a y   n o co in cid [ 1 1 ] .   T h alg o r ith m   u s i n g   o n E C ch a n n el  i s   p ar ticu lar l y   co n v e n ie n t   f o r   s tan d - alo n m o n ito r s .   I is   also   u s ed   in   m an y   o th er   d ev ices  s u c h   as  h o m a p p lian ce s ,   d ef ib r illato r s ,   an d   i n   tele m etr y   f o r   d ev ices  w it h   l i m ited   b an d w id t h .   A l g o r ith m s   w er e m p lo y ed   to   an al y ze   E C s u c h   as  th Ha m ilto n - T o m p k i n s   ( H - T )   alg o r ith m   a s   w ell  as  th e   Hilb er tr an s f o r m - b ased   alg o r ith m s   [ 1 2 ] .   Ma n y   o th er   alg o r i th m s   ex i s t,  an d   th co m b in at i o n   o f   u s i n g   t w o   o f   th e m   o r   m o r d ee m ed   to   b b e n ef icial  in   b etter   p in p o in ti n g   th lo ca tio n   o f   Q,   R ,   an d   p ea k s   [ 1 3 ] .   Fo r   ex am p le .   th H - T   alg o r ith m   ac c u r ac y   w a s   test ed   o n   g e n er ated   M AT L A B   E C G   s i g n a ls   a n d   f o u n d   r eliab le  ac cu r ac y   ev en   th o u g h   m o d er ate  to   h ig h   n o i s es  w er p r ese n [ 1 4 ] .   T h ese  r es u lt s   w er v er y   e n co u r ag in g   to   t h u s o f   h an d h eld   d ev ices  w ith   m o s t l y   u s t h is   m eth o d .   T h Hi lb er tr an s f o r m - b ased   alg o r it h m s   f o u n d   b etter   ap p licatio n s   in   tr a n s f o r m ed   s i g n al s   w h er it is   u s ed   to   s u p p r ess   u n w a n ted   w av e f o r m s   o r   s ig n a l s   [ 1 5 ] .   Ma th e m atica an d   s tat is tical  m o d el s   [ 1 6 ]   w er u s ed   to   h el p   ex tr ac ac cu r ate  r esu lts .   Ne v er   th less ,   d ep en d in g   o n   th q u alit y   lev e o f   th d atab ase,   t h ac cu r ac y   r an g ed   f r o m   7 8 . 9 9 to   9 9 [ 1 7 ] .   B esid es  th e   p r esen ce   o f   f al lacio u s   s i g n als   an d   n o is e,   t h m ai n   p r o b le m   in   d etec t in g   Q R S   o cc u r s   f o r   elec tr o ca r d io g r am s   w it h   v ar iab le  r h y th m ,   w h er P   an d   T   w av e s   h a v s i g n i f ica n t v alu e s .   T h g en er al  s tr u ct u r e   o f   QR S d etec to r   co n s is ts   o f   t w o   s tag e s   [ 18 ] i n   s ta g o n e;  th d ig itized   ca r d io g r a m   d ata  is   f ilter ed   to   elim i n ate  n o is a n d   to   eli m i n ate  P   an d   T   w a v es.  F u r t h er ,   in   o r d er   to   am p li f y   t h R   w a v e,   th o u tp u t s ig n al  i s   p r o ce s s ed   b y   n o n - l in ea r   tr an s f o r m atio n s ,   s u c h   as  a   q u a d r atic  f u n ctio n .   Seco n d l y ,   to   o b tain   t h b o u n d ar y   p o in ts   o f   t h QR co m p lex ,   a n   alg o r i th m   w it h   th r esh o l d   f u n ctio n   ( T o m p k i n s   alg o r ith m )   is   u s ed .   A s   an   alter n ati v to   th T o m p k i n s   al g o r ith m ,   Z i g el s   alg o r ith m   [ 18 ]   ca n   b e   u tili ze d   w i th   s o m m o d if icatio n .   Z i g el s   alg o r it h m   als o   co n s is ts   o f   t w o   s ta g es,  b u it  h as  d i f f er en ap p r o ac h   i n   d eter m i n in g   t h r e f r ac to r y   p er io d   ( p er i o d   o f   n o n - Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
C o m p u t.  Sci.  I n f .   T ec h n o l.         Les s   co mp u ta tio n a l a p p r o a ch   to   d etec t Q R S   co mp lexe s   in   E C r h yth ms   ( Ta r iq   M.  Yo u n es )   115   ex citab ilit y )   in   th s i g n a l.  I n   th f ir s s ta g e,   p er io d s   o f   n o n - e x citab ilit y   ar d eter m i n ed   w h e r th er is   n o   QR S,   an d   th u s   Q R S c o m p le x es   ar a p p r o x im a tel y   d eter m in ed .         2.   RE S E ARCH   M E T H O D     T h d esire d   QR w a v e f o r m s   ar d eter m in ed   u s i n g   “L o w   P ass ”  Fil ter   ( L P F),   d if f er en c f ilter i n g ,   an d   m o v i n g   av er a g f ilter i n g .   T h is   p r o ce d u r e,   d em o n s tr ated   in   Fig u r 2 ,   allo w s   f o r   th esti m atio n   o f   an   ap p r o x im a te  r an g o f   Q R co m p lex e s   v al u es.  T h is   f ilter in g   also   d is ca r d s   f allac io u s   s i g n al s   ca u s ed   b y   T   w a v e s   an d   n o is e.   A   f ilter   d esi g n   co n s tr ai n   w h e n   u s i n g   co n s tan th r es h o ld   f u n ctio n   is   th e   p r o ce d u r ac cu r ac y ,   esp ec iall y   w i th   s ig n al s   co n tai n in g   lar g ad m i x t u r o f   E MG   n o is o r   ar tif ac ts   o f   m o tio n   [ 1 9 ] .           ( a)   ( b )         ( c)     Fig u r 2 .   E C f iltra t io n   p r o ce d u r e:  L o w   P ass   FIR  Fil ter ,   d if f er en ce   f ilter i n g ,   m o v i n g   av er ag f i lter   ( a )   Step   1 : L o w   p ass   FI R ( b )   Step   2 : D if f er en ce   f ilter ( c )   Step   3 : M o v in g   a v er ag f ilter       I n   th s ec o n d   s tag e,   th th r e s h o ld   f u n ctio n   is   u s ed .   Ho w ev er ,   th alg o r ith m   f a ils   w h e n   t h s ig n al   co n tain s   lo o f   h i g h - f r eq u e n c y   n o i s [ 2 0 ] .   T h is   is   b ec a u s th t h r es h o ld   d ep en d s   o n   th d er iv ativ v al u es  o f   th s i g n al.   I n   t h is   p ap er ,   it  is   p r o p o s ed   th at  th th r e s h o ld   is   s e t   as  v ar iab le  f u n c tio n   t h a is   a d j u s ted   ea ch   p er io d   u n t il  it  r ea ch e s   p ar a m eter   d ef in ed   b y   th u s er .   T h p r o p o s ed   m et h o d   in clu d es  s i g n al  p r e - p r o ce s s in g ,   f iltra tio n   s eq u en ce ,   r o b u s th r es h o ld   an al y s i s   an d   s u b s eq u e n tl y ,   QR d etec tio n   f o r   E C is   d escr ib ed   in   th b elo w   s ec tio n s .     2 . 1 .   Appl y ing   l ow - pa s s   f ilte t o   c a rdio g ra m   s ig na l   F ir s t,  th ca r d io g r a m   s ig n al  is   f ed   th r o u g h   lo w - p a s s   FIR  f il ter   w it h   p ass b an d   u p p er   f r eq u en c y   1 Hz,   s to p b an d   lo w er   f r eq u en c y   4 5 Hz.   A s   s tated   i n   th liter at u r e,   m o s ca r d io g r a m   en er g y   i s   in   r an g o f   1   Hz  -   45   Hz  [ 2 1 ] .   T h er ef o r e,   th cu to f f   f r eq u en c y   f o r   th is   f ilter   is   4 5   Hz.   T h f ilter ed   s ig n al  k ee p s   m o s o f   th e n er g y   f o r   th o r ig in a s i g n al,   r estra i n in g   h ig h - f r eq u en c y   n o i s [ 2 2 ] .   T h is   in clu d e s   th 5 0   Hz  in ter f er e n ce   o f   th e   elec tr ical  n et w o r k   [ 2 3 ] .   I n   s o m ca s es,  it  m a y   b p o s s ib le  to   ap p ly   m o r t h o r o u g h   f ilter in g   t o   im p r o v t h r esu lt  b y   u s i n g   o th er   t y p e s   o f   f ilter s   as  n o tch   f ilter   o r   w a v elet  d o m a in   [ 2 4 ] .   Ho w ev er ,   t h g o a o f   th i s   s ta g is   to   d eter m in t h ap p r o x i m ate  in t er v als  o f   t h Q R co m p le x e s .   T h is   p r o ce s s   is   b ar el y   d ep en d en o n   t h f allac io u s   s ig n al  f ilter ed   b y   L P F.  Fi g u r 3   s h o w s   d etails o f   th u s ed   L P F.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2722 - 3221   C o m p u t.  Sci.  I n f .   T ec h n o l. ,   Vo l.  2 ,   No .   3 No v em b er   20 2 1 1 13     1 20   116       Fig u r 3 .   T h am p lit u d r esp o n s o f   t h L P F tr an s f er   f u n ctio n .   x - ax is   i n   X/1 0 0   Hz       As  ca n   b s ee n   i n   Fi g u r 4 ,   th f il ter ed   o u tp u s i g n a is   s m o o t h er   an d   co n tai n s   le s s   n o i s th a n   th e   o r ig in al  s ig n al.   I t c o m p ar es t h in itial c ar d io g r a m   s i g n al  w i t h   its   f ilter ed   lo w p a s s   o u tp u t.            ( a)   I n itial r a w   E C s i g n a l.  x - a x is   i s   ti m s a m p les   ( b )   Fil ter ed   E C s ig n al.   x - ax i s   is   ti m s a m p les     Fig u r 4 .   C o m p ar is o n   b et w ee n   th i n itia l si g n al  ( a)   an d   f ilte r ed   s ig n al  ( b ) .       Af ter   f ilter i n g ,   t h i n ter v al s   b e ca m s m o o t h er .   A s   in   FIR   f i lte r s ,   th d i f f er en ce   f i lter   a m p l if i es  R   w av e s   an d   r ed u ce s   th P   an d   T   w a v es .   I also   r ed u ce s   th b ac k g r o u n d   n o is o f   th w a v e f o r m .   T h d if f er e n ce   f i lter   h a s   th f o r m   [ 2 5 ] [ 2 6 ] :     [ ] = [ ] [ 1 ] 2     ( 1 )     W h er e:  x [ n ]   is   th e   o u tp u s ig n al  o f   t h lo w p as s   f ilter .   d [ n ]   is   th o u tp u t   s i g n al  o f   t h d i f f er en ce   f ilter .   F ig u r 5   s h o w s   t h c h ar ac ter is tics   o f   th ap p lied   d if f er en ce   f i lter .             ( a)   Dif f er e n ce   f il ter   d B     ( b )   Dif f er en ce   f ilter   P h ase  a n g le       Fig u r 5 .   The se  fi g ure a re ;   ( a)   Am p lit u d an d   ( b )   p h ase  p lo ts   o f   d if f er en ce   f ilter .   x - ax i s   in   X/1 0 0   Hz     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
C o m p u t.  Sci.  I n f .   T ec h n o l.         Les s   co mp u ta tio n a l a p p r o a ch   to   d etec t Q R S   co mp lexe s   in   E C r h yth ms   ( Ta r iq   M.  Yo u n es )   117   2 . 2 .   M o v ing   a v er a g e   f ilte r   T h d if f er en ce   f i lter   w as  f o u n d   to   r ed u ce   th n o n - QR f ea t u r es;  h o w ev er ,   it  a ls o   i n cr ea s e s   th h i g h - f r eq u en c y   n o i s th at  r e m ai n s   a f ter   th L P F.  T o   r ed u ce   s h o r t - t er m   in ter f er en ce ,   it  is   n ec es s ar y   to   ap p l y   m o v i n g   av er ag f ilter   as  in   ( 2 ) .   T h f ilter   s ize  is   tak en   to   m atc h   t h e   ap p r o x i m ate  w id t h   o f   th Q R co m p le x es  [ 2 7 ] [ 2 8 ] .     [ ] = | [ + ] | 16 = 16     ( 2 )     2 . 3 .   T hres ho ld f un ct io n   T h ap p r o x im a te  in ter v als  o f   th QR co m p lex e s   ca n   b d eter m in ed   u s in g   th t h r esh o l d   m o v in g   av er ag v alu o f   th o u tp u f il ter :      [ 0 ] = [ ] + [ ] [ ] 2 . 4     ( 3 )     I is   also   p o s s ib le  to   u s an   a d ap tiv th r es h o ld   f u n ctio n   w h en   th d etec tio n   o f   lo w er   in te r v als  f ai ls .   T h is   tak es  p lace   w h en   lar g e   n u m b er   o f   h i g h - f r eq u e n c y   n o is o r   s ig n al  d i s to r tio n s   ar g en er ated   w h en   t h e   p atien m o v es:      [ ] =  [ 1 ] + [ ] + [ ] [ ] 2 . 8 2     ( 4 )       3.   AL G O RI T H M   VALI DAT I O N   I n   Fig u r 6 ,   s a m p le  o f   b o u n d ar y   d eter m i n atio n   p r o ce s s   u s in g   t h t h r esh o ld   f u n ctio n   i s   s h o w n .   A s   d em o n s tr atio n   s a m p les  f o r   d if f er en E C r etr iev ed   w i th   d i f f er en co n d itio n s ,   th d e v elo p ed   QR al g o r it hm  w a s   test ed   w it h   t h r ee   ca r d io g r a m   s i g n als ( E C G3 . d at,   E C G4 . d at,   an d   E C G5 . d at) .   I n   th E C G3   s ig n al. d at,   th er is   m o d er ate  a m o u n t   o f   n o n d eter m i n is tic  g r o u n d   n o is t h at  ca n   b p r o d u ce d   b y   t h p atien t ' s   b r ea t h i n g .   B o u n d ar y   o f   Q R w as  s u cc e s s f u l a s   s h o w n   i n   Fi g u r 7 .           Fig u r 6 .   T h r esu lt o f   th b o u n d ar y   d eter m i n atio n   p r o ce s s   u s in g   t h th r es h o ld   f u n ctio n .   x - ax is   i s   ti m s a m p les           Fig u r 7 .   QR S d etec tio n   r es u lt   f o r   E C G3 . d at  s ig n al.   x - a x is   i s   ti m s a m p les   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2722 - 3221   C o m p u t.  Sci.  I n f .   T ec h n o l. ,   Vo l.  2 ,   No .   3 No v em b er   20 2 1 1 13     1 20   118   Fig u r 8   s h o w s   t h E C G4 . d at  s ig n al  w h ic h   is   a f f ec ted   b y   b ase  ch a n g at  t h en d .   T h is   ca n   b ca u s ed   b y   th e   m o v e m en t o f   th e   p atien t a n d   b y   h ig h - f r eq u e n c y   n o is e.   T h in f l u en ce   o f   t h o s e f f ec ts   is   clea r l y   n o ticed ,   as th i n ter v al s   b ec o m w id er .           Fig u r 8 .   QR S d etec tio n   r es u lt   f o r   E C G4 . d at  s ig n al.   x - a x is   i s   ti m s a m p les       Fig u r 9   s h o w s   s i g n al  ( E C G5 . d at)   w h ich   is   ex tr e m el y   d is to r ted .   A ls o   w it h i n   7   s ec o n d s ,   s h ar p ed   m o tio n   s i g n a ap p ea r s   s i m u lati n g   th e   Q R co m p lex .   T h is   f all ac io u s   m o tio n   s i g n al  m a k es  t h d etec tio n   o f   Q R S   co m p le x   ch al len g i n g   ta s k .           Fig u r 9 .   QR S d etec tio n   r es u lt   f o r   E C G5 . d at  s ig n al.   x - a x is   i s   ti m s a m p les       T h p r o p o s ed   QR d etec tio n   a lg o r ith m   is   test ed   u s in g   th r ee   ca r d io g r am s   p atter n s ,   ea ch   co n s is ts   o f   2 0   s a m p les  a s   d e m o n s tr ated   in   t h p r ev io u s   s ec tio n   [ 2 9 ] .   T h d u r atio n   o f   t h s i g n als  i s   2 0   s ec o n d s   an d   th e y   ar e   d is to r ted   b y   t h n o is o f   v ar io u s   t y p e s   ( FS   2 0 0   Hz) .   Sen s it iv it y   ( Se) ,   th r es u lts   ar ill u s t r ated   in   T ab le  1 ,   is   ca lcu lated   u s i n g   t h f o llo w i n g   f o r m u las:      = ( 1   +  ) % =   +  %     ( 5 )     W h er e:  T P   ( T r u P o s itiv e)   is   th n u m b er   o f   Q R co m p le x es  f o u n d ,   FN  ( Fals Ne g ati v e)   -   t h n u m b er   o f   in co r r ec tl y   d ef in ed   QR co m p lex e s .   I f   t h er w a s   an   er r o r   in   th lo ca tio n   o f   th s tr ik e v en   at  o n s elec ted   p o in t,  th FN i n cr ea s es.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
C o m p u t.  Sci.  I n f .   T ec h n o l.         Les s   co mp u ta tio n a l a p p r o a ch   to   d etec t Q R S   co mp lexe s   in   E C r h yth ms   ( Ta r iq   M.  Yo u n es )   119   T ab le  1 .   Sen s itiv it y   c alc u lat io n   S a mp le   S e %   S i g n a l   E C G 3 . d a t ,   91   S i g n a l   E C G 4 . d a t   88   S i g n a l   E C G 5 . d a t   85     T h r esu lts   s h o w   s at is f ac to r y   d etec tio n   o f   QR co m p le x es   f o r   th p r o p o s ed   s tr aig h t f o r w ar d   alg o r ith m   th at  d o es  n o r eq u ir an y   r ef er en ce   s i g n als.  T h s e n s i tiv it y   c an   b i m p r o v ed   u s ed   co r r ec tio n   alg o r it h m   an d   co m p ar ati v p er io d ic  p r o ce d u r e.       4.   CO NCLU SI O N     T h d ev elo p m e n o f   ad v a n ce d   p r o ce s s in g   s y s te m s   h as  r es u lte d   in   r ea lizin g   s p ec i f ic  co m p le x es  in   E C r h y t h m   t h at  al lo w s   d etec ti n g   h ea r d is ea s es.  C u r r en tl y ,   i n s tr u m en tatio n s   ar u s ed   to   r e co r d   C ar d io g r ap h s   p r o v id in g   s i g n al  f ilter i n g ,   d ata  an al y s is ,   an d   d iag n o s is   b ased   o n   E C ti m i n g .   I n   th is   p ap er ,   au to m at ic  d etec tio n   an d   r ec o g n itio n   o f   Q R S   co m p l ex es  f o r   E C r h y t h m   ar p r o p o s ed .   T h p r esen ted   alg o r it h m   is   s tr u ct u r ed   b ased   o n   s er ies  o f   f i lter s   th at  co m p o s es  L P F,  d if f er en ce   a n d   s u m m atio n   f ilter s .   A f ter w ar d ,   th r es h o ld   f u n ctio n   i s   ap p lied   to   d etec QR co m p le x es.  T h al g o r ith m   h as   s u cc es s f u ll y   lo ca ted   th e   QR co m p le x es.  A n   ap p r o x i m ate   d ef in i tio n   o f   b o u n d ar ies  ca n   b ch alle n g in g   w h e n   t h ese  b o u n d ar ies  ar d is to r ted   b y   h ig h - f r e q u en c y   E MG   n o is e   an d   b y   t h n o is f r o m   p atien m o v e m e n t.  T h is   lead s   to   th o m is s io n   o f   s e v er al  b ea ts .   I n   s u ch   ca s es,  in s tead   o f   u s i n g   co n s tan th r es h o ld   f u n ctio n ,   it  is   n ec ess ar y   to   u s an   ad ap tiv th r esh o ld   f u n ctio n ,   w h ic h   ca n   i m p r o v e   th o p er atio n   o f   th e   alg o r it h m   u s i n g   v ar iab le  t h r es h o ld   v ar ia b les.  T h r esu lt s   ar f o u n d   s at is f ac to r y   f o r   s u c h   a   r o b u s t d ir ec t a lg o r ith m .       RE F E R E NC E   [1 ]   J.  A sp u ru   e a l . ,   " S e g m e n tatio n   o f   th e   ECG   S ig n a b y   M e a n o f   a   L in e a Re g r e ss io n   A lg o r it h m " ,   S e n so rs ,   v o l.   1 9 ,   n o .   4 ,   p .   7 7 5 ,   2 0 1 9 .     [2 ]   I.   Be ra z a   a n d   I.   Ro m e ro ,   " Co m p a ra ti v e   stu d y   o f   a lg o rit h m f o ECG   s e g m e n tatio n " ,   Bi o me d ica S ig n a Pr o c e ss in g   a n d   Co n tro l ,   v o l.   3 4 ,   p p .   1 6 6 - 1 7 3 ,   2 0 1 7 .     [3 ]   K.  M a e d a ,   Y.  No g u c h i,   M .   Utsu   a n d   T .   Na g a ss a wa ,   " A lg o rit h m f o Co m p u teriz e d   F e tal  He a rt  Ra te Diag n o sis w it h   Dire c Re p o rti n g " ,   Al g o rit h ms ,   v o l.   8 ,   n o .   3 ,   p p .   3 9 5 - 4 0 6 ,   2 0 1 5 .     [4 ]   G .   M a g e n e s,  M .   G .   S ig n o rin a n d   R.   S a ss i,   " A u to m a ti c   d iag n o sis  o f   f e tal  h e a rt  ra te:  c o m p a ris o n   o f   d if f e re n t   m e th o d o lo g ica a p p ro a c h e s,"   20 0 1   Co n fer e n c e   Pro c e e d i n g o f   th e   2 3 rd   An n u a I n ter n a ti o n a l   Co n fer e n c e   o f   th e   IEE E   En g i n e e rin g   in   M e d icin e   a n d   Bi o lo g y   S o c iety ,   Ista n b u l,   T u rk e y ,   2 0 0 1 ,   p p .   1 6 0 4 - 1 6 0 7   v o l . 2 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /I EM BS . 2 0 0 1 . 1 0 2 0 5 1 9 .     [5 ]   E.   F ra n k ,   " A n   e q u iv a len c ircu it   f o t h e   h u m a n   h e a rt - b o d y   e lec tri c a sy ste m " ,   Ame ric a n   He a rt  J o u r n a l ,   v o l.   4 8 ,   n o .   5 ,   p p .   7 3 8 - 7 4 5 ,   1 9 5 4 .     [6 ]   L .   M o n teiro ,   F .   V a sq u e s - v o a ,   L .   F e rre ira,  P .   P in t o - do - Ó  a n d   D.  Na sc i m e n to ,   " Re sto rin g   h e a rt  f u n c ti o n   a n d   e lec tri c a in teg rit y c lo sin g   th e   c ir c u it " ,   n p Re g e n e ra ti v e   M e d icin e ,   v o l.   2 ,   n o .   9 ,   p p .   1 - 13 ,   2 0 1 7 .     [7 ]   J.  A lu n   a n d   B .   M u r p h y ,   " L o n e li n e ss ,   so c ial  iso lati o n   a n d   c a rd i o v a sc u lar  risk " ,   Brit ish   J o u r n a l   o f   C a rd ia c   Nu rs in g v o l.   1 4 ,   n o .   1 0 ,   p p .   1 - 8 ,   2 0 1 9 .     [8 ]   A .   W in terto n ,   L .   R ø d e v a n d ,   L .   W e stl y e ,   N.  S tee n ,   O.  A n d re a ss e n   a n d   D.  Q u in ta n a ,   A ss o c iatio n o f   L o n e li n e ss   a n d   S o c ial  Iso lati o n   w it h   Ca rd io v a sc u lar an d   M e tab o li c   He a lt h :   a   S y ste m a ti c   Re v ie w   a n d   M e ta - a n a ly sis  p ro t o c o l,   2 0 1 9 .     [9 ]   S .   S a ra sw a t,   G .   S riv a sta v a   a n d   S .   S h u k la,   " Re v i e w Co m p a riso n   o f   QRS  d e tec ti o n   a lg o rit h m s,"   In ter n a t io n a l   Co n fer e n c e   o n   Co m p u t in g ,   C o mm u n ica ti o n   &   Au to ma ti o n ,   G re a ter  No id a ,   I n d ia,   2 0 1 5 ,   p p .   3 5 4 - 3 5 9 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 /CCA A . 2 0 1 5 . 7 1 4 8 4 4 3 .     [1 0 ]   M .   A .   Be lk a d a n d   A .   Da a m o u c h e ,   " A n   i m p ro v e d   QRS  d e tec ti o n   m e th o d   u sin g   Hi d d e n   M a rk o v   M o d e ls,"   2 0 1 7   6 th   In ter n a t io n a C o n fer e n c e   o n   S y ste ms   a n d   C o n tro ( ICS C) ,   Ba tn a ,   2 0 1 7 ,   p p .   8 1 - 8 4 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /IC o S C. 2 0 1 7 . 7 9 5 8 6 9 6 .     [1 1 ]   S .   S o tel o ,   W .   A re n a a n d   M .   A lt u v e ,   " QRS  c o m p lex   d e tec ti o n   b a se d   o n   c o n ti n u o u d e n sity   h id d e n   M a rk o v   m o d e ls  u sin g   u n iv a riate   o b se rv a ti o n s" ,   J o u rn a l   o f   Ph y sic s: Co n fer e n c e   S e rie s,   v o l.   1 0 0 2 ,   p .   0 1 2 0 0 9 ,   2 0 1 8 .     [1 2 ]   N.  M .   A rz e n o ,   Z.   - D.  De n g   a n d   C.   - S .   P o o n ,   " A n a l y sis  o f   F irst - De riv a ti v e   Ba se d   QRS  D e tec ti o n   A l g o rit h m s,"   in   IEE T r a n sa c ti o n o n   Bi o m e d ica En g in e e rin g ,   v o l.   5 5 ,   n o .   2 ,   p p .   4 7 8 - 4 8 4 ,   F e b .   2 0 0 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 /T BM E. 2 0 0 7 . 9 1 2 6 5 8 .     [1 3 ]   G .   M .   F ries e n ,   T .   C.   Ja n n e tt ,   M .   A .   Ja d a ll a h ,   S .   L .   Ya tes ,   S .   R.   Qu in a n d   H .   T .   Na g le,  " A   c o m p a ris o n   o f   th e   n o ise   se n siti v it y   o f   n in e   QRS  d e tec ti o n   a lg o rit h m s,"   in   IEE T ra n sa c ti o n o n   Bio m e d ica En g in e e rin g ,   v o l .   3 7 ,   n o .   1 ,   p p .   85 - 9 8 ,   Ja n .   1 9 9 0 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 / 1 0 . 4 3 6 2 0 .     [1 4 ]   P .   S .   Ha m il to n   a n d   W .   J.  T o m p k in s,  " Co m p re ss io n   o f   th e   a m b u lato ry   EC G   b y   a v e ra g e   b e a su b trac ti o n   a n d   re si d u a l   d if fe re n c in g , "   in   I EE T ra n sa c ti o n o n   Bi o m e d ica En g in e e rin g ,   v o l.   3 8 ,   n o .   3 ,   p p .   2 5 3 - 2 5 9 ,   M a rc h   1 9 9 1 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / 1 0 . 1 3 3 2 0 6 .     [1 5 ]   F .   Zh a n g   a n d   Y.  L ian ,   " QRS  De te c ti o n   Ba se d   o n   M u lt isc a le M a th e m a ti c a M o rp h o lo g y   f o W e a r a b le E C G   De v ice s   in   B o d y   A re a   Ne t w o rk s,"   in   IEE E   T ra n sa c t io n o n   Bi o me d ica l   Circ u it a n d   S y ste ms ,   v o l.   3 ,   n o .   4 ,   p p .   2 2 0 - 2 2 8 ,   A u g .   2 0 0 9 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /T BCA S . 2 0 0 9 . 2 0 2 0 0 9 3 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2722 - 3221   C o m p u t.  Sci.  I n f .   T ec h n o l. ,   Vo l.  2 ,   No .   3 No v em b er   20 2 1 1 13     1 20   120   [1 6 ]   M .   El g e n d i,   " F a st  QRS  De tec ti o n   w it h   a n   Op ti m iz e d   Kn o w led g e - Ba se d   M e th o d Ev a lu a ti o n   o n   1 1   S tan d a rd   ECG   Da tab a se s " ,   PL o S   ONE ,   v o l.   8 ,   n o .   9 ,   p .   e 7 3 5 5 7 ,   2 0 1 3 .     [1 7 ]   F .   L iu   e a l. ,   " P e rf o rm a n c e   A n a l y sis  o f   T e n   Co m m o n   QRS  De tec to rs  o n   Dif f e re n ECG   A p p li c a ti o n   Ca se s " ,   J o u rn a l   o He a lt h c a re   En g i n e e rin g ,   v o l.   2 0 1 8 ,   p p .   1 - 8 ,   2 0 1 8 .     [1 8 ]   M .   El g e n d i,   B.   Esk o f ier,  S .   Do k o a n d   D.  A b b o tt ,   " Re v isit in g   QRS  De tec ti o n   M e th o d o lo g ies   f o P o r t a b le,  W e a ra b le,   Ba tt e r y - Op e ra ted ,   a n d   W irele ss   ECG   S y ste m s " ,   PL o S   ONE ,   v o l.   9 ,   n o .   1 ,   p .   e 8 4 0 1 8 ,   2 0 1 4 .     [1 9 ]   T .   S h a rm a   a n d   K.   S h a rm a ,   " A   n e w   m e th o d   f o QRS   d e tec ti o n   in   ECG   sig n a ls  u sin g   QRS - p re s e rv in g   f il terin g   tec h n iq u e s " ,   B io me d ica E n g i n e e rin g   /   Bi o me d izin isc h e   T e c h n ik,   v o l.   6 3 ,   n o .   2 ,   p p .   2 0 7 - 2 1 7 ,   2 0 1 8 .     [2 0 ]   S .   Bil g i n   a n d   Z.   A k in ,   A   Ne w   Ro b u st   QRS   De tec ti o n   A lg o rit h m   in   A rrh y th m ic  ECG   S ig n a ls” ,   J   E n g   S c i   De sig n v o l.   6 ,   n o .   1 ,   p p .   6 4 - 7 3 ,   2 0 1 8 .     [2 1 ]   O.  Kw o n   e a l. ,   " El e c tro c a rd io g r a m   S a m p li n g   F re q u e n c y   Ra n g e   A c c e p tab le  f o He a rt  Ra te  V a ria b il it y   A n a l y sis" ,   He a lt h c a re   In fo rm a ti c s R e se a rc h ,   v o l.   2 4 ,   n o .   3 ,   p .   1 9 8 ,   2 0 1 8 .   [2 2 ]   M .   M e rri,   D.  C.   F a rd e n ,   J.  G .   M o tt le y   a n d   E.   L .   T it leb a u m ,   " S a m p li n g   f r e q u e n c y   o f   th e   e lec tro c a rd io g ra m   f o sp e c tral  a n a ly sis  o f   th e   h e a rt  ra te  v a riab il it y , "   in   IEE T ra n sa c ti o n o n   Bi o me d ica En g in e e rin g ,   v o l.   3 7 ,   n o .   1 ,   p p .   9 9 - 1 0 6 ,   Ja n .   1 9 9 0 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /1 0 . 4 3 6 2 1 .     [2 3 ]   K.  Ra h u l,   S ig n a P r o c e ss in g   T e c h n i q u e f o r   Re m o v in g   No ise   f ro m   EC G   S ig n a ls” ,   J   Bi o me d   En g . ,   v o l.   3 . n o .   1 ,   p p .   1 - 9 ,   2 0 1 9 .     [2 4 ]   M .   Ka b ir   a n d   C.   S h a h n a z ,   " De n o isin g   o f   ECG   sig n a ls  b a se d   o n   n o ise   re d u c ti o n   a lg o ri th m in   E M a n d   w a v e l e d o m a in s" ,   Bi o me d ica S i g n a Pro c e ss in g   a n d   C o n tr o l ,   v o l .   7 ,   n o .   5 ,   p p .   4 8 1 - 4 8 9 ,   2 0 1 2 .     [2 5 ]   N.  Da s a n d   M .   C h a k ra b o rty ,   " P e r f o r m a n c e   a n a l y sis o f   F IR  a n d   IIR   f il ters   f o ECG   sig n a d e n o isi n g   b a se d   o n   S NR" ,   2 0 1 7   T h ir d   I n ter n a ti o n a l   Co n fer e n c e   o n   Res e a rc h   i n   C o mp u ta ti o n a l   In tell ig e n c e   a n d   C o mm u n ic a ti o n   Ne two rk ( ICRCICN) ,   2 0 1 7 .     [2 6 ]   S .   Bh o g e sh w a r,   M .   S o n a n d   D.  Ba n sa l,   " T o   v e ri fy   a n d   c o m p a re   d e n o isi n g   o f   ECG   sig n a u sin g   v a rio u d e n o isin g   a lg o rit h m s o f   IIR  a n d   F IR  f il ters " ,   In ter n a ti o n a J o u r n a o Bi o me d ica En g in e e rin g   a n d   T e c h n o lo g y ,   v o l.   1 6 ,   n o .   3 ,   p .   2 4 4 ,   2 0 1 4 .     [2 7 ]   S .   L e e ,   Y.  Je o n g ,   D.  P a rk ,   B.   Yu n   a n d   K.  P a rk ,   " Ef f icie n F id u c ial  P o in De tec ti o n   o f   ECG   QRS  Co m p lex   Ba se d   o n   P o ly g o n a A p p ro x ima ti o n " ,   S e n s o rs ,   v o l.   1 8 ,   n o .   1 2 ,   p .   4 5 0 2 ,   2 0 1 8 .     [2 8 ]   M .   A k h b a ri,   M .   S h a m so ll a h a n d   C.   Ju tt e n ,   " Co m p a riso n   o f   ECG   f i d u c ial  p o in e x trac ti o n   m e th o d b a s e d   o n   d y n a m i c   Ba y e sia n   n e tw o rk " ,   2 0 1 7   Ira n ia n   Co n fer e n c e   o n   El e c trica E n g in e e rin g   ( ICEE ) ,   2 0 1 7 .     [2 9 ]   M .   S y b u rra ,   N.  G u e tt ler,  J.   D’A rc y   a n d   E.   Nic o l,   " Cli n ica o c c u p a ti o n a a ss e ss m e n p re -   a n d   p o st - c a rd iac   su rg e ry " ,   Eu ro p e a n   He a rt   J o u r n a l ,   v o l.   4 0 ,   n o .   4 0 ,   p p .   3 2 8 3 - 3 2 8 6 ,   2 0 1 9 .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.