KR102261526B1 - Non-contact system of measuring ppg signal and its way to working - Google Patents

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Abstract

본 발명은 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템 및 그 구동 방법으로서, 측정 대상자의 영상을 촬영하는 카메라부(100); 카메라부(100)에서 촬영된 영상으로부터 측정 대상자의 PPG 신호를 연산하는 중앙처리부(200); 및 중앙처리부(200)에서 연산된 PPG 신호 및 PPG 신호로부터 추출된 심박수를 디스플레이 화면에 표시하는 디스플레이부(300)를 포함하여 구성될 수 있으며, 중앙처리부(200)는, 카메라부(100)에서 촬영된 측정 대상자의 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 영역 선택부(210); 영역 선택부(210)에서 선택된 대상 영역에서 반사되어 나온 광신호를, 카메라부(100)에서 촬영된 영상의 각 프레임별로 검출하는 광신호 검출부(220); 광신호 검출부(220)에서 검출된 광신호를 전하로 변환시키는 광전변환부(230); 광전변환부(230)에서 전하로 변환된 신호로부터 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하는 연산부(240); 연산부(240)에서 연산된 신호를 주파수 신호로 변환시켜 PPG 신호로 출력하는 주파수 신호 변환부(250); 주파수 신호 변환부(250)에서 변환된 PPG 신호를 가공하는 제어부(260); 및 제어부(260)에서 가공된 PPG 신호로부터 측정 대상자의 심박수를 결정하는 심박수결정부(270)를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템 및 그 구동 방법에 따르면, 카메라를 통해 촬영된 영상에서의 광신호의 세기와 심박수 측정 대상자의 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이에 상관관계가 있다는 특징을 이용함으로써, 종래의 신체 접촉식 심박수 측정을 위해 심박수 측정 대상자가 장치를 꼭 착용해야만 하는 불편함을 줄이고, 무구속 상태에서 매우 쉽고 간편하게 심박수를 측정할 수 있으며, 심박수 측정 대상자가 카메라 앞에 잠시 서 있는 것만으로도 심박수를 측정할 수 있어 심박수 측정 시스템을 사용하는 데 있어서 번거로움을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에서 제안하고 있는 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템 및 그 구동 방법에 따르면, 촬영된 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하여 그 영역에서의 광신호 세기를 x,y 좌표상의 픽셀값으로 연산하고, 이를 필터링하고 증폭시키는 가공 과정을 거침으로써, 심박수 측정 대상자의 얼굴 움직임으로 인한 노이즈 성분이나, 얼굴에 조사되는 빛의 주파수 성분의 변화와 같은 환경의 영향에 따른 노이즈 성분으로부터 영향을 적게 받을 수 있어, 심박수 측정 대상자의 심박수를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
The present invention provides a non-contact PPG signal measurement system using a camera and a driving method thereof, comprising: a camera unit 100 for capturing an image of a subject to be measured; a central processing unit 200 for calculating the PPG signal of the subject to be measured from the image taken by the camera unit 100; and a display unit 300 that displays the PPG signal calculated by the central processing unit 200 and the heart rate extracted from the PPG signal on a display screen, wherein the central processing unit 200 includes the camera unit 100 a region selection unit 210 for selecting a target region from which an optical signal is to be extracted from the photographed image of the subject; an optical signal detector 220 that detects an optical signal reflected from the target region selected by the region selector 210 for each frame of the image captured by the camera unit 100; a photoelectric converter 230 for converting the optical signal detected by the optical signal detector 220 into electric charge; a calculation unit 240 for calculating a change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured from the signal converted into electric charge by the photoelectric conversion unit 230; a frequency signal converter 250 for converting the signal calculated by the calculator 240 into a frequency signal and outputting it as a PPG signal; a control unit 260 for processing the PPG signal converted by the frequency signal converting unit 250; and a heart rate determination unit 270 for determining the heart rate of the subject to be measured from the PPG signal processed by the control unit 260 .
According to the non-contact PPG signal measuring system using the camera and the driving method thereof proposed in the present invention, there is a correlation between the intensity of the optical signal in the image taken through the camera and the subcutaneous reflectance according to the blood flow change of the heart rate measurement subject. By using the feature, it is possible to reduce the inconvenience that the heart rate measurement subject must wear the device for conventional body-contact heart rate measurement, measure the heart rate very easily and conveniently in an unconstrained state, and the heart rate measurement subject briefly in front of the camera You can measure your heart rate just by standing, reducing the hassle of using a heart rate monitoring system.
In addition, according to the non-contact PPG signal measuring system using a camera and the driving method thereof proposed in the present invention, a target area from which an optical signal is to be extracted from a photographed image is determined and the optical signal intensity in the area is measured on the x,y coordinates. By calculating pixel values, filtering and amplifying them, it is affected from noise components caused by the movement of the heart rate target's face or noise components due to environmental influences such as changes in the frequency component of light irradiated to the face. can receive less, so it is possible to measure the heart rate of the subject of heart rate measurement more accurately.

Description

카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템 및 그 구동 방법{NON-CONTACT SYSTEM OF MEASURING PPG SIGNAL AND ITS WAY TO WORKING}Non-contact PPG signal measurement system using a camera and its driving method {NON-CONTACT SYSTEM OF MEASURING PPG SIGNAL AND ITS WAY TO WORKING}

본 발명은 비접촉 PPG(광용적맥파, photo plethysmo graphy) 신호 측정 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a non-contact PPG (photoplethysmography) signal measuring system and a driving method thereof, and more particularly, to a non-contact PPG signal measuring system using a camera and a driving method thereof.

심박수란 심장의 박동수를 말하는 것으로, 혈액의 흐름으로 인하여 동맥이 팽창과 이완을 되풀이하게 되는데, 이를 맥박이라고 한다. 심박수는 심장과 혈관의 상태에 따라 조금씩 차이가 나는데, 일반적으로 성인의 맥박수는 분당 60∼80회이고, 나이가 적을수록 많아져서 신생아는 분당 120∼140회 정도이다. 심박수는 체온 1℃ 상승에 대하여 보통 약 8 박동의 증가를 가져오며, 그 외에도 호흡운동이나 아드레날린, 이산화탄소 등에도 영향을 받는다.
Heart rate refers to the rate of the heart, and due to the flow of blood, the arteries expand and relax repeatedly, which is called the pulse. The heart rate differs slightly depending on the state of the heart and blood vessels. Generally, the heart rate for adults is 60 to 80 beats per minute, and the younger the age, the higher the heart rate, so the rate for newborns is about 120 to 140 beats per minute. Heart rate usually increases by about 8 beats per 1℃ increase in body temperature, and is also affected by respiratory movement, adrenaline, carbon dioxide, and the like.

최근 스포츠나 신체 운동 및 건강에 관한 관심이 지속적으로 증가하고 있으며, 심박수 측정은 사고의 예방 차원 또는 신체 변화의 모니터링을 위해 그 중요성이 점차 증가하고 있다. 심박수 측정은 스트레스, 체력, 심혈관계 등을 진단하는데 기초가 되는 가장 중요한 건강 정보인데, 이러한 이유로 인해 병원이나 보건소 등에서는 측정 대상자의 기초 건강상태를 파악하기 위해 심박수 측정을 기본적으로 실시하고 있을 뿐만 아니라, 일반 가정에서도 심박수를 주기적으로 측정하는 경우가 많아지고 있다.
Recently, interest in sports, physical exercise, and health is continuously increasing, and heart rate measurement is increasingly important for preventing accidents or monitoring body changes. Heart rate measurement is the most important health information that is the basis for diagnosing stress, physical strength, and cardiovascular system. , the number of regular households to measure their heart rate is increasing.

심장 박동을 검출하는 비침습적 방법으로는 전기적 검출 방법, 기계적 검출 방법, 광학적 검출 방법이 있다. 전기적 검출 방법은 피부 위에 전극을 부착하여 조직의 전기적 임피던스나 어드미턴스의 변화를 측정하는 방법이나, 장치의 특성상 개인의 심박을 상시 측정하기에는 불편함이 크다. 기계적 검출 방법은 피부를 통해 전달되는 맥동을 압전소자 등 압력 변환 센서를 통해 심장 박동으로 검출하는 방식으로, 변환기의 피부 밀착 정도에 따른 오차가 크며, 장착 위치가 신체의 특정부위(손목, 가슴 등)로 제한되어 다양한 활용이 어려운 단점이 있다.
Non-invasive methods for detecting a heartbeat include an electrical detection method, a mechanical detection method, and an optical detection method. The electrical detection method is a method of measuring a change in the electrical impedance or admittance of a tissue by attaching an electrode on the skin, but it is inconvenient to constantly measure an individual's heartbeat due to the characteristics of the device. The mechanical detection method detects the pulsation transmitted through the skin as a heartbeat through a pressure conversion sensor such as a piezoelectric element. ), which makes it difficult to use in various ways.

광학적 검출 방법은 혈액의 헤모글로빈과 상관이 좋은 광을 피부에 가까운 동맥혈에 조사하여 검출하는 방법이다. 도 1은 종래의 접촉식 PPG 신호를 측정하는 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 종래의 접촉식 PPG 신호를 측정하는 시스템의 원리를 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 광학적 검출 방식은 신체 접촉 방식의 측정 방법이어서, 심박수 측정에 제한이 많았다. 이에 비접촉식 심장 박동을 검출하는 광학적 검출 방식에 대한 필요성이 대두된다.
The optical detection method is a method of detecting by irradiating light having a good correlation with hemoglobin in blood to arterial blood close to the skin. 1 is a diagram illustrating a system for measuring a conventional contact PPG signal, and FIG. 2 is a diagram illustrating a principle of a system for measuring a conventional contact type PPG signal. As shown in FIGS. 1 and 2 , the conventional optical detection method is a body contact method, and thus there are many limitations in heart rate measurement. Accordingly, there is a need for an optical detection method for detecting a non-contact heartbeat.

한편, 본 발명과 관련된 선행기술로서, 한국공개특허 제10-2012-0057813호(발명의 명칭: 광용적맥파를 이용한 심박측정 방법, 공고일자: 2012년 06월 07일) 등이 개시된 바 있다.On the other hand, as prior art related to the present invention, Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2012-0057813 (title of the invention: heart rate measurement method using photoplethysmography, announcement date: June 07, 2012) and the like has been disclosed.

본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 카메라를 통해 촬영된 영상에서의 광신호의 세기와 심박수 측정 대상자의 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이에 상관관계가 있다는 특징을 이용함으로써, 종래의 신체 접촉식 심박수 측정을 위해 심박수 측정 대상자가 장치를 꼭 착용해야만 하는 불편함을 줄이고, 무구속 상태에서 매우 쉽고 간편하게 심박수를 측정할 수 있으며, 심박수 측정 대상자가 카메라 앞에 잠시 서 있는 것만으로도 심박수를 측정할 수 있어 심박수 측정 시스템을 사용하는 데 있어서 번거로움을 줄일 수 있는, 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
The present invention has been proposed to solve the above problems of the previously proposed methods, and there is a correlation between the intensity of an optical signal in an image captured by a camera and a subcutaneous reflectance according to a change in blood flow of a subject for heart rate measurement. By using the feature, it is possible to reduce the inconvenience that the heart rate measurement subject must wear the device for conventional body-contact heart rate measurement, measure the heart rate very easily and conveniently in an unconstrained state, and the heart rate measurement subject briefly in front of the camera An object of the present invention is to provide a non-contact PPG signal measuring system using a camera and a driving method thereof, which can measure the heart rate just by standing, thereby reducing the hassle of using the heart rate measuring system.

또한, 본 발명은, 촬영된 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하여 그 영역에서의 광신호 세기를 x,y 좌표상의 픽셀값으로 연산하고, 이를 필터링하고 증폭시키는 가공 과정을 거침으로써, 심박수 측정 대상자의 얼굴 움직임으로 인한 노이즈 성분이나, 얼굴에 조사되는 빛의 주파수 성분의 변화와 같은 환경의 영향에 따른 노이즈 성분으로부터 영향을 적게 받을 수 있어, 심박수 측정 대상자의 심박수를 보다 정확하게 측정할 수 있는, 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention determines a target region from which an optical signal is to be extracted from a photographed image, calculates the optical signal intensity in the region as pixel values on the x and y coordinates, and filters and amplifies it by going through a processing process, The heart rate measurement target can be measured more accurately because it can be less affected by noise components caused by the movement of the heart rate target's face or noise components caused by environmental influences such as changes in the frequency component of the light irradiated to the face. Another object of the present invention is to provide a non-contact PPG signal measuring system using a camera and a driving method thereof.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템은,A non-contact PPG signal measurement system using a camera according to a feature of the present invention for achieving the above object,

카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템으로서,A non-contact PPG signal measurement system using a camera, comprising:

심박수 측정 대상자(이하, 측정 대상자라 한다.)의 영상을 촬영하는 카메라부;a camera unit for capturing an image of a heart rate measurement target (hereinafter, referred to as a measurement target);

상기 카메라부에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 PPG 신호를 연산하는 중앙처리부; 및a central processing unit for calculating the PPG signal of the subject to be measured from the image taken by the camera unit; and

상기 중앙처리부에서 연산된 PPG 신호 및 상기 PPG 신호로부터 추출된 심박수를 디스플레이 화면에 표시하는 디스플레이부를 포함하며,and a display unit for displaying the PPG signal calculated by the central processing unit and the heart rate extracted from the PPG signal on a display screen,

상기 중앙처리부는,The central processing unit,

상기 카메라부에서 촬영된 상기 측정 대상자의 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 영역 선택부;a region selection unit for selecting a target region from which an optical signal is to be extracted from the image of the subject to be measured taken by the camera unit;

상기 영역 선택부에서 선택된 대상 영역에서 반사되어 나온 광신호를, 상기 카메라부에서 촬영된 영상의 각 프레임별로 검출하는 광신호 검출부;an optical signal detector configured to detect an optical signal reflected from the target region selected by the region selector for each frame of the image captured by the camera unit;

상기 광신호 검출부에서 검출된 광신호를 전하로 변환시키는 광전변환부;a photoelectric conversion unit converting the optical signal detected by the optical signal detecting unit into electric charge;

상기 광전변환부에서 전하로 변환된 신호로부터 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하는 연산부;a calculation unit for calculating a change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured from the signal converted into electric charge by the photoelectric conversion unit;

상기 연산부에서 연산된 신호를 주파수 신호로 변환시켜 PPG 신호로 출력하는 주파수 신호 변환부;a frequency signal converter converting the signal calculated by the calculator into a frequency signal and outputting it as a PPG signal;

상기 주파수 신호 변환부에서 변환된 PPG 신호를 가공하는 제어부; 및a control unit for processing the PPG signal converted by the frequency signal converting unit; and

상기 제어부에서 가공된 PPG 신호로부터 상기 측정 대상자의 심박수를 결정하는 심박수결정부를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
It is characterized in that it comprises a heart rate determination unit for determining the heart rate of the measurement target from the PPG signal processed by the control unit.

바람직하게는, 상기 영역 선택부는,Preferably, the region selection unit,

상기 카메라부에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 인식하는 얼굴 인식부;a face recognition unit for recognizing the face of the subject to be measured from the image taken by the camera unit;

상기 얼굴 인식부에서 인식된 얼굴에서 모든 특징점을 검출하는 특징점 검출부;a feature point detection unit for detecting all the feature points from the face recognized by the face recognition unit;

상기 특징점 검출부에서 검출된 특징점 중 측정 대상자의 얼굴 인식 및 광신호 추출에 효과적인 유효 특징점만 추출하는 특징점 추출부; 및a feature point extraction unit for extracting only effective feature points effective for face recognition and optical signal extraction of a subject to be measured from among the feature points detected by the feature point detection unit; and

상기 특징점 추출부에서 추출된 유효 특징점으로부터 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하는 영역 결정부를 포함하여 구성될 수 있다.
and a region determining unit that determines a target region from which an optical signal is to be extracted from the effective key points extracted by the key point extraction unit.

더욱 바람직하게는, 상기 영역 선택부는,More preferably, the region selection unit,

상기 카메라부에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 인식하기에 부적합하거나, 상기 측정 대상자의 얼굴에서 상기 광신호를 추출할 상기 대상 영역을 결정하기에 부적합한 경우, 상기 측정 대상자의 얼굴 영상 재획득을 요구하는 영상 재요구부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
When it is inappropriate to recognize the face of the measurement subject from the image taken by the camera unit, or to determine the target region from which the optical signal is to be extracted from the face of the measurement subject, re-acquisition of the face image of the measurement subject It may be configured to further include an image re-requesting unit.

바람직하게는, 상기 광신호 검출부는,Preferably, the optical signal detection unit,

상기 카메라부에서 촬영된 영상에서 다수의 색상의 광신호를 검출하는 경우, 상기 프레임마다 색상 채널별 분리된 각각의 광신호 데이터값을 검출할 수 있다.
When optical signals of a plurality of colors are detected from the image photographed by the camera unit, each optical signal data value separated for each color channel may be detected for each frame.

더욱 바람직하게는, 상기 광신호 검출부는,More preferably, the optical signal detection unit,

헤모글로빈과 산화 헤모글로빈의 빛 흡수율이 가장 높은 파장인 녹색(G)채널에서의 광신호 데이터값을 검출할 수 있다.
It is possible to detect an optical signal data value in the green (G) channel, which is a wavelength having the highest light absorption rate of hemoglobin and oxidized hemoglobin.

바람직하게는, 상기 연산부는,Preferably, the calculation unit,

상기 광신호 검출부에서 검출된 광신호의 세기와 상기 측정 대상자의 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이에 상관관계가 있다는 특징을 이용하여 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산할 수 있다.
The change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured may be calculated by using the feature that there is a correlation between the intensity of the optical signal detected by the optical signal detector and the subcutaneous reflectance according to the change in the blood flow of the subject to be measured.

더욱 바람직하게는, 상기 연산부는,More preferably, the calculation unit,

상기 광전변환부에서 전하로 변환된 신호의 세기를 x,y 좌표상의 픽셀값으로 저장하고, 상기 대상 영역을 기설정된 혈류량이 일정하다고 볼 수 있는 작은 영역으로 나누어, 나누어진 각각의 작은 영역에서의 상기 x,y 좌표상의 픽셀값의 평균값을 연산한 후에 시간에 따른 상기 평균값 변화를 추적함으로써, 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산할 수 있다.
The photoelectric conversion unit stores the intensity of the signal converted into electric charge as pixel values on the x and y coordinates, and divides the target region into small regions in which a predetermined blood flow rate is constant, and in each of the divided small regions By calculating the average value of the pixel values on the x and y coordinates and then tracking the change in the average value over time, the change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured may be calculated.

바람직하게는, 상기 제어부는,Preferably, the control unit,

상기 주파수 신호 변환부에서 변환된 PPG 신호에서 노이즈 또는 잡음을 필터링하여, 출력되는 PPG 신호의 주파수 범위를 결정하는 필터부를 포함하여 구성될 수 있다.
It may be configured to include a filter unit for filtering noise or noise from the PPG signal converted by the frequency signal converting unit, and determining a frequency range of the output PPG signal.

더욱 바람직하게는, 상기 제어부는,More preferably, the control unit,

상기 필터부에서 노이즈 또는 잡음이 필터링 되어 출력된 PPG 신호를 적절한 이득 값으로 증폭시켜주는 증폭부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
The filter unit may further include an amplifying unit for amplifying the PPG signal output by filtering the noise or noise to an appropriate gain value.

바람직하게는,Preferably,

상기 제어부에서 가공된 PPG 신호로부터 추출된 심박변이도 지표와 스트레스에 의한 자율신경계 활성화의 정적 상관관계를 이용하여 스트레스 지수를 연산하는 스트레스 연산부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
The control unit may further include a stress calculator that calculates a stress index by using the heart rate variability index extracted from the processed PPG signal and a static correlation between the autonomic nervous system activation due to stress.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 방법은,A non-contact PPG signal measurement method using a camera according to a feature of the present invention for achieving the above object,

카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 방법으로서,A non-contact PPG signal measurement method using a camera, comprising:

(1) 측정 대상자의 영상을 촬영하는 단계;(1) taking an image of the subject to be measured;

(2) 상기 단계 (1)에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 PPG 신호를 연산하는 단계; 및(2) calculating the PPG signal of the subject to be measured from the image taken in step (1); and

(3) 상기 단계 (2)에서 연산된 PPG 신호 및 상기 PPG 신호로부터 추출된 심박수를 디스플레이 화면에 표시하는 단계를 포함하며,(3) displaying the PPG signal calculated in step (2) and the heart rate extracted from the PPG signal on a display screen,

상기 단계 (2)는,The step (2) is,

(2-1) 상기 단계 (1)에서 촬영된 상기 측정 대상자의 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 단계;(2-1) selecting a target region from which an optical signal is to be extracted from the image of the subject to be measured taken in step (1);

(2-2) 상기 단계 (2-1)에서 선택된 대상 영역에서 반사되어 나온 광신호를, 상기 단계 (1)에서 촬영된 영상의 각 프레임별로 검출하는 단계;(2-2) detecting the optical signal reflected from the target area selected in step (2-1) for each frame of the image captured in step (1);

(2-3) 상기 단계 (2-2)에서 검출된 광신호를 전하로 변환시키는 단계;(2-3) converting the optical signal detected in step (2-2) into electric charge;

(2-4) 상기 단계 (2-3)에서 전하로 변환된 신호로부터 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하는 단계;(2-4) calculating a change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured from the signal converted into electric charge in the step (2-3);

(2-5) 상기 단계 (2-4)에서 연산된 신호를 주파수 신호로 변환시켜 PPG 신호로 출력하는 단계;(2-5) converting the signal calculated in step (2-4) into a frequency signal and outputting it as a PPG signal;

(2-6) 상기 단계 (2-5)에서 변환된 PPG 신호를 가공하는 단계; 및(2-6) processing the PPG signal converted in the step (2-5); and

(2-7) 상기 단계 (2-6)에서 가공된 PPG 신호로부터 상기 측정 대상자의 심박수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 그 구현상의 특징으로 한다.
(2-7) It is characterized in that it comprises the step of determining the heart rate of the subject to be measured from the PPG signal processed in the step (2-6).

바람직하게는, 상기 단계 (2-1)은,Preferably, the step (2-1) is

(2-1-1) 상기 단계 (1)에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 인식하는 단계;(2-1-1) recognizing the face of the subject to be measured from the image captured in step (1);

(2-1-2) 상기 단계 (2-1-1)에서 인식된 얼굴에서 모든 특징점을 검출하는 단계;(2-1-2) detecting all the feature points from the face recognized in the step (2-1-1);

(2-1-3) 상기 단계 (2-1-2)에서 검출된 특징점 중 광신호 추출에 효과적인 유효 특징점만 추출하는 단계; 및(2-1-3) extracting only effective feature points effective for optical signal extraction among the feature points detected in step (2-1-2); and

(2-1-4) 상기 단계 (2-1-3)에서 추출된 유효 특징점으로부터 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하는 단계를 포함하여 구현될 수 있다.
(2-1-4) may be implemented including the step of determining a target region from which an optical signal is to be extracted from the effective feature points extracted in the step (2-1-3).

더욱 바람직하게는, 상기 단계 (2-1)은,More preferably, the step (2-1) is

(2-1-5) 상기 단계 (1)에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 인식하기에 부적합하거나, 상기 측정 대상자의 얼굴에서 상기 광신호를 추출할 상기 대상 영역을 결정하기에 부적합한 경우, 상기 측정 대상자의 얼굴 영상 재획득을 요구하는 단계를 더 포함하여 구현될 수 있다.
(2-1-5) In case of inappropriate for recognizing the face of the subject to be measured from the image taken in step (1), or inappropriate for determining the target region from which the optical signal is to be extracted from the face of the subject to be measured , it may be implemented by further comprising the step of requesting the re-acquisition of the face image of the subject to be measured.

바람직하게는, 상기 단계 (2-2)에서는,Preferably, in the step (2-2),

상기 단계 (1)에서 촬영된 영상에서 다수의 색상의 광신호를 검출하는 경우, 상기 프레임마다 색상 채널별 분리된 각각의 광신호 데이터값을 검출할 수 있다.
When optical signals of a plurality of colors are detected in the image photographed in step (1), each optical signal data value separated for each color channel may be detected for each frame.

더욱 바람직하게는, 상기 단계 (2-2)에서는,More preferably, in the step (2-2),

헤모글로빈과 산화 헤모글로빈의 빛 흡수율이 가장 높은 파장인 녹색(G)채널에서의 광신호 데이터값을 검출할 수 있다.
It is possible to detect an optical signal data value in the green (G) channel, which is a wavelength having the highest light absorption rate of hemoglobin and oxidized hemoglobin.

바람직하게는, 단계 (2-4)에서는,Preferably, in step (2-4),

상기 단계 (2-2)에서 검출된 광신호의 세기와 상기 측정 대상자의 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이에 상관관계가 있다는 특징을 이용하여 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산할 수 있다.
The change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured may be calculated using the feature that there is a correlation between the intensity of the optical signal detected in step (2-2) and the subcutaneous reflectance according to the change in blood flow of the subject to be measured.

더욱 바람직하게는, 상기 단계 (2-4)에서는,More preferably, in the step (2-4),

상기 단계 (2-3)에서 전하로 변환된 신호의 세기를 x,y 좌표상의 픽셀값으로 저장하고, 상기 대상 영역을 기설정된 혈류량이 일정하다고 볼 수 있는 작은 영역으로 나누어, 나누어진 각각의 작은 영역에서의 상기 x,y 좌표상의 픽셀값의 평균값을 연산한 후에 시간에 따른 상기 평균값 변화를 추적함으로써, 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산할 수 있다.
The intensity of the signal converted into electric charge in step (2-3) is stored as pixel values on the x and y coordinates, and the target area is divided into small areas in which a predetermined blood flow can be considered constant, and each divided After calculating the average value of the pixel values on the x and y coordinates in the region, the change in the average value over time is tracked to calculate the change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured.

바람직하게는, 상기 단계 (2-6)은,Preferably, the step (2-6) is

(2-6-1) 상기 단계 (2-5)에서 변환된 PPG 신호에서 노이즈 또는 잡음을 필터링하여, 출력되는 PPG 신호의 주파수 범위를 결정하는 필터링 단계를 포함하여 구현될 수 있다.
(2-6-1) filtering noise or noise from the PPG signal converted in step (2-5) and determining a frequency range of the output PPG signal may be implemented.

더욱 바람직하게는, 상기 단계 (2-6)은,More preferably, the step (2-6) is

(2-6-2) 상기 단계 (2-6-1)에서 노이즈 또는 잡음이 필터링 되어 출력된 PPG 신호를 적절한 이득 값으로 증폭시켜주는 단계를 더 포함하여 구현될 수 있다.
(2-6-2) The step of amplifying the PPG signal output after the noise or noise has been filtered in the step (2-6-1) to an appropriate gain value may be further included.

바람직하게는,Preferably,

(4) 상기 단계 (2-6)에서 가공된 PPG 신호로부터 추출된 심박변이도 지표와 스트레스에 의한 자율신경계 활성화의 정적 상관관계를 이용하여 스트레스 지수를 연산하는 단계를 더 포함하여 구현될 수 있다.(4) It may be implemented by further comprising the step of calculating a stress index using the positive correlation between the heart rate variability index extracted from the PPG signal processed in step (2-6) and the autonomic nervous system activation due to stress.

본 발명에서 제안하고 있는 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템 및 그 구동 방법에 따르면, 카메라를 통해 촬영된 영상에서의 광신호의 세기와 심박수 측정 대상자의 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이에 상관관계가 있다는 특징을 이용함으로써, 종래의 신체 접촉식 심박수 측정을 위해 심박수 측정 대상자가 장치를 꼭 착용해야만 하는 불편함을 줄이고, 무구속 상태에서 매우 쉽고 간편하게 심박수를 측정할 수 있으며, 심박수 측정 대상자가 카메라 앞에 잠시 서 있는 것만으로도 심박수를 측정할 수 있어 심박수 측정 시스템을 사용하는 데 있어서 번거로움을 줄일 수 있다.
According to the non-contact PPG signal measuring system using the camera and the driving method thereof proposed in the present invention, there is a correlation between the intensity of the optical signal in the image taken through the camera and the subcutaneous reflectance according to the blood flow change of the heart rate measurement subject. By using the feature, it is possible to reduce the inconvenience that the heart rate measurement subject must wear the device for conventional body-contact heart rate measurement, measure the heart rate very easily and conveniently in an unconstrained state, and the heart rate measurement subject briefly in front of the camera You can measure your heart rate just by standing, reducing the hassle of using a heart rate monitoring system.

또한, 본 발명에서 제안하고 있는 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템 및 그 구동 방법에 따르면, 촬영된 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하여 그 영역에서의 광신호 세기를 x,y 좌표상의 픽셀값으로 연산하고, 이를 필터링하고 증폭시키는 가공 과정을 거침으로써, 심박수 측정 대상자의 얼굴 움직임으로 인한 노이즈 성분이나, 얼굴에 조사되는 빛의 주파수 성분의 변화와 같은 환경의 영향에 따른 노이즈 성분으로부터 영향을 적게 받을 수 있어, 심박수 측정 대상자의 심박수를 보다 정확하게 측정할 수 있다.In addition, according to the non-contact PPG signal measuring system using a camera and the driving method thereof proposed in the present invention, a target area from which an optical signal is to be extracted from a photographed image is determined and the optical signal intensity in the area is measured on the x,y coordinates. By calculating pixel values, filtering and amplifying them, it is affected from noise components caused by the movement of the heart rate target's face or noise components due to environmental influences such as changes in the frequency component of light irradiated to the face. can receive less, so it is possible to measure the heart rate of the subject of heart rate measurement more accurately.

도 1은 종래의 접촉식 PPG 신호를 측정하는 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 종래의 접촉식 PPG 신호를 측정하는 시스템의 원리를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템의 영역 선택부의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템의 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 방법을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템에서 각 프레임마다 색상 채널별 분리된 광신호 데이터값을 검출하는 방법을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템의 검출된 광신호의 세기와 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이의 상관관계를 이용하는 원리를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템의 헤모글로빈에서의 빛 반사를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템 구동 방법의 흐름을 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템에서 PPG 신호를 연산하는 방법의 흐름을 도시한 도면.
1 is a view showing a system for measuring a conventional contact PPG signal.
2 is a view showing the principle of a system for measuring a conventional contact PPG signal.
3 is a view showing the configuration of a non-contact PPG signal measurement system using a camera according to an embodiment of the present invention as a functional block.
4 is a view showing the configuration of the area selection unit of the non-contact PPG signal measurement system using a camera according to an embodiment of the present invention as a functional block.
5 is a diagram illustrating a method of selecting a target area from which an optical signal is to be extracted in a non-contact PPG signal measuring system using a camera according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a method of detecting separated optical signal data values for each color channel for each frame in a non-contact PPG signal measuring system using a camera according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a principle of using a correlation between the intensity of a detected optical signal and a subcutaneous reflectance according to a change in blood flow in the non-contact PPG signal measuring system using a camera according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing light reflection in hemoglobin of a non-contact PPG signal measurement system using a camera according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a flow of a method of driving a non-contact PPG signal measurement system using a camera according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram illustrating a flow of a method of calculating a PPG signal in a non-contact PPG signal measuring system using a camera according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
Hereinafter, preferred embodiments will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily practice the present invention with reference to the accompanying drawings. However, in describing the preferred embodiment of the present invention in detail, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the same reference numerals are used throughout the drawings for parts having similar functions and functions.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결 되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 간접적으로 연결 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
In addition, throughout the specification, when it is said that a part is connected to another part, this includes not only the case where it is directly connected, but also the case where it is indirectly connected with another element interposed therebetween. In addition, the inclusion of any component means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

PPG 측정은 생체조직의 광학적 특성을 이용하여 혈관에 흐르는 혈류량을 측정함으로써 심박동 상태를 추정하는 방법이다. 말초혈관으로 혈액이 흐를 때 심장의 이완기와 수축기 사이에 혈액의 흐름이 느려져 혈관 내 투명도의 변화를 일으키며, 이 투명도 변화를 감지하는 것을 PPG 측정의 기본 원리로 한다. 이러한 형상은 신체의 말초조직 얼굴이나 손가락, 귓불 등에서 확실히 측정할 수 있으며, 일반적으로 사용되는 PPG 측정의 경우 손가락을 이용하여 측정한다. 이와 같은 원리를 얼굴에도 적용할 경우 심박동 상태에 따라 얼굴 피부의 혈관 내 혈류량 또한 마찬가지로 변화할 것이므로, 본 발명은 카메라를 통하여 얼굴 피부의 혈관 내 혈류량 변화를 측정하여 분석함으로써 심장 박동 상태를 측정하고자 한다.
PPG measurement is a method of estimating the heartbeat state by measuring the amount of blood flow flowing through a blood vessel using the optical characteristics of a living tissue. When blood flows to the peripheral blood vessels, the blood flow slows between the diastolic and systolic of the heart, causing a change in intravascular transparency, and sensing this change in transparency is the basic principle of PPG measurement. Such a shape can be reliably measured on the face, fingers, ear lobe, etc. of peripheral tissues of the body. In the case of PPG measurement, which is generally used, it is measured using a finger. If the same principle is applied to the face, the blood flow in the blood vessels of the facial skin will also change according to the heartbeat state, so the present invention measures the heartbeat state by measuring and analyzing the change in blood flow in the blood vessels in the facial skin through a camera. .

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템은, 측정 대상자의 영상을 촬영하는 카메라부(100); 카메라부(100)에서 촬영된 영상으로부터 측정 대상자의 PPG 신호를 연산하는 중앙처리부(200); 및 중앙처리부(200)에서 연산된 PPG 신호 및 PPG 신호로부터 추출된 심박수를 디스플레이 화면에 표시하는 디스플레이부(300)를 포함하여 구성될 수 있으며, 중앙처리부(200)는, 카메라부(100)에서 촬영된 측정 대상자의 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 영역 선택부(210); 영역 선택부(210)에서 선택된 대상 영역에서 반사되어 나온 광신호를, 카메라부(100)에서 촬영된 영상의 각 프레임별로 검출하는 광신호 검출부(220); 광신호 검출부(220)에서 검출된 광신호를 전하로 변환시키는 광전변환부(230); 광전변환부(230)에서 전하로 변환된 신호로부터 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하는 연산부(240); 연산부(240)에서 연산된 신호를 주파수 신호로 변환시켜 PPG 신호로 출력하는 주파수 신호 변환부(250); 주파수 신호 변환부(250)에서 변환된 PPG 신호를 가공하는 제어부(260); 및 제어부(260)에서 가공된 PPG 신호로부터 측정 대상자의 심박수를 결정하는 심박수결정부(270)를 포함하여 구성될 수 있다.
3 is a diagram illustrating the configuration of a non-contact PPG signal measurement system using a camera according to an embodiment of the present invention as functional blocks. As shown in Figure 3, the non-contact PPG signal measurement system using a camera according to an embodiment of the present invention, the camera unit 100 for taking an image of the subject to be measured; a central processing unit 200 for calculating the PPG signal of the subject to be measured from the image taken by the camera unit 100; and a display unit 300 that displays the PPG signal calculated by the central processing unit 200 and the heart rate extracted from the PPG signal on a display screen, wherein the central processing unit 200 includes the camera unit 100 a region selection unit 210 for selecting a target region from which an optical signal is to be extracted from the photographed image of the subject; an optical signal detector 220 that detects an optical signal reflected from the target region selected by the region selector 210 for each frame of the image captured by the camera unit 100; a photoelectric converter 230 for converting the optical signal detected by the optical signal detector 220 into electric charge; a calculation unit 240 for calculating a change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured from the signal converted into electric charge by the photoelectric conversion unit 230; a frequency signal converter 250 for converting the signal calculated by the calculator 240 into a frequency signal and outputting it as a PPG signal; a control unit 260 for processing the PPG signal converted by the frequency signal converting unit 250; and a heart rate determiner 270 for determining the heart rate of the subject to be measured from the PPG signal processed by the controller 260 .

영역 선택부(210)는, 중앙처리부(200)를 구성하는 하나의 장치로서, 카메라부(100)에서 촬영된 측정 대상자의 영상으로부터 광신호를 추출할 최적의 대상 영역을 선택하여 측정 대상자의 심박수 측정의 정확도를 높일 수 있다. 이하 도 4를 이용하여 영역 선택부(210)에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
The region selection unit 210, as a device constituting the central processing unit 200, selects an optimal target region from which an optical signal is extracted from the image of the measurement subject photographed by the camera unit 100 to select the heart rate of the measurement subject. The measurement accuracy can be improved. Hereinafter, the region selection unit 210 will be described in more detail with reference to FIG. 4 .

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템의 영역 선택부의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 영역 선택부(210)는, 카메라부(100)에서 촬영된 영상으로부터 측정 대상자의 얼굴을 인식하는 얼굴 인식부(211), 얼굴 인식부(211)에서 인식된 얼굴에서 모든 특징점을 검출하는 특징점 검출부(212), 특징점 검출부(212)에서 검출된 특징점 중 광신호 추출에 효과적인 유효 특징점만 추출하는 특징점 추출부(213), 및 특징점 추출부(213)에서 추출된 유효 특징점으로부터 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하는 영역 결정부(214)를 포함하여 구성될 수 있다. 심박수 측정 대상자는 일반적으로 사람이나 이에 제한되는 것은 아니며, 측정 가능한 심장을 가진 모든 생명체가 될 수 있다.
4 is a block diagram illustrating the configuration of an area selection unit of a non-contact PPG signal measurement system using a camera according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4 , the region selection unit 210 includes a face recognition unit 211 for recognizing a face of a subject to be measured from an image captured by the camera unit 100 , and a face recognized by the face recognition unit 211 . A keypoint detector 212 that detects all the keypoints in , a keypoint extraction unit 213 that extracts only effective keypoints effective for optical signal extraction among the keypoints detected by the keypoint detection unit 212, and the effective extracted by the keypoint extraction unit 213 It may be configured to include a region determiner 214 that determines a target region from which an optical signal is to be extracted from the feature point. The heart rate measurement target is generally, but is not limited to, a human being, and may be any living organism having a measurable heart.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템의 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 방법을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 얼굴 인식부(211)는 카메라부(100)에서 촬영된 영상의 각각의 프레임에 대하여 측정 대상자의 얼굴을 인식할 수 있다. 얼굴 인식 방법으로는 기존에 존재하는 임의의 얼굴 인식 방법이 이용될 수 있다. 얼굴 인식부(211)가 프레임 내에 얼굴이 존재한다고 판단할 경우, 그 얼굴이 측정 대상자의 얼굴이라고 결정할 수 있다.
5 is a diagram illustrating a method of selecting a target area from which an optical signal is to be extracted in a non-contact PPG signal measuring system using a camera according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5 , the face recognition unit 211 may recognize the face of the measurement target for each frame of the image captured by the camera unit 100 . As the face recognition method, any existing face recognition method may be used. When the face recognition unit 211 determines that a face is present in the frame, it may determine that the face is the face of the subject to be measured.

특징점 검출부(212)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 얼굴 인식부(211)에서 인식된 얼굴에서 광신호 측정에 적절한 얼굴 영역을 결정하기에 적합한 모든 특징점을 검출할 수 있다. 보다 구체적으로, 측정 대상자의 얼굴 영역 내에 위치하는 얼굴 기관뿐만 아니라, 측정 대상자 얼굴의 윤곽선을 따라 얼굴 영역을 결정할 수 있는 모든 특징점을 검출할 수 있다. 얼굴 기관은 눈, 코, 입, 귀가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 얼굴에 위치하는 다양한 신체 일부를 포함할 수 있고, 얼굴에 착용 된 안경이나 선글라스를 포함하여 넓게 해석함이 바람직하다.
As shown in FIG. 5 , the feature point detector 212 may detect all feature points suitable for determining a face region suitable for optical signal measurement in the face recognized by the face recognition unit 211 . More specifically, it is possible to detect not only facial organs located in the face region of the subject to be measured, but also all feature points capable of determining the face region along the contour of the face of the subject to be measured. Facial organs may be eyes, nose, mouth, and ears, but are not limited thereto, and may include various body parts positioned on the face, and it is preferable to broadly interpret including glasses or sunglasses worn on the face.

특징점 추출부(213)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 특징점 검출부(212)에서 검출된 특징점 중 측정 대상자의 얼굴 영역을 인식하고 광신호를 추출하는 데 꼭 필요하거나 효과적인 유효 특징점만 추출할 수 있다.
As shown in FIG. 5 , the key point extraction unit 213 may extract only effective key points necessary or effective for recognizing the face region of the subject to be measured and extracting an optical signal among the key points detected by the key point detection unit 212 . have.

영역 결정부(214)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 특징점 추출부(213)에서 추출된 유효 특징점을 연결하여 광신호를 추출할 대상 영역을 결정할 수 있다. 광신호를 추출할 대상 영역을 결정할 경우, 모세혈관이 밀집하여 있어 심장 박동에 따른 헤모글로빈 농도의 변화가 큰 부위가 적절한데, 이마 또는 뺨이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 대상 영역은 얼굴 중에서 표정에 의한 움직임이 비교적 적은 영역이므로 심박수의 측정에 적합할 뿐만 아니라, 측정 대상자 얼굴의 중앙에 위치하므로 얼굴이 프레임 내에서 움직임이 있더라도 심박수 측정에 주는 영향을 줄일 수 있다. 도 5에 도시된 대상 영역 결정의 실시예에 따르면, 대상 영역은, 코의 일측에 위치한 유효 특징점, 귀의 하단에 위치한 유효 특징점, 및 입의 일측에 위치한 유효 특징점을 연결하는 직선으로 둘러싸인 삼각형의 영역일 수 있다.
As shown in FIG. 5 , the region determiner 214 may determine a target region from which an optical signal is to be extracted by connecting the effective feature points extracted by the feature point extraction unit 213 . When determining the target region from which the optical signal is to be extracted, a region in which capillaries are dense and the hemoglobin concentration changes according to the heartbeat is appropriate, but preferably the forehead or the cheek, but is not limited thereto. The target area is suitable for heart rate measurement because it is a region in the face where movement by expression is relatively small, and since it is located in the center of the target face, the influence on heart rate measurement can be reduced even if the face moves within the frame. According to the embodiment of determining the target region shown in FIG. 5 , the target region is a triangular region surrounded by a straight line connecting the effective feature point located on one side of the nose, the effective feature point located at the lower end of the ear, and the effective feature point located on the one side of the mouth. can be

영상 재요구부(215)는, 영역 선택부(210)를 구성하는 또 다른 장치로서, 측정 대상자의 얼굴 영상 재획득을 요구할 수 있다. 보다 구체적으로, 카메라부(100)에서 촬영된 영상으로부터 측정 대상자의 얼굴을 인식하기에 부적합하거나, 측정 대상자의 얼굴에서 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하기에 부적합한 경우, 카메라부(100)로 측정 대상자의 얼굴 영상 재획득을 요구할 수 있다.
The image re-requester 215 is another device constituting the region selector 210 and may request re-acquisition of a face image of a subject to be measured. More specifically, when it is inappropriate to recognize the face of the measurement subject from the image taken by the camera unit 100 or to determine the target region from which the optical signal is to be extracted from the face of the measurement subject, the camera unit 100 Re-acquisition of the subject's face image may be requested.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템에서 각 프레임마다 색상 채널별 분리된 광신호 데이터값을 검출하는 방법을 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 광신호 검출부(220)는, 카메라부(100)에서 촬영된 영상에서 다수의 색상의 광신호를 검출하는 경우, 프레임마다 색상 채널별 분리된 각각의 광신호 데이터값을 검출할 수 있다. 즉, RGB 표색계의 경우, 촬영된 영상에서 각각의 프레임마다 적색(R) 성분 채널, 녹색(G) 성분 채널 및 청색(B) 성분 채널별 분리된 각각의 광신호 데이터값을 검출할 수 있다.
6 is a diagram illustrating a method of detecting separated optical signal data values for each color channel for each frame in a non-contact PPG signal measuring system using a camera according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6 , when the optical signal detector 220 detects optical signals of a plurality of colors from the image photographed by the camera unit 100, each optical signal data value separated for each color channel for each frame can be detected. That is, in the case of the RGB color space system, each optical signal data value separated for each red (R) component channel, green (G) component channel, and blue (B) component channel can be detected for each frame in the captured image.

특히, 광신호 검출부(220)는, 녹색(G) 성분 채널의 광신호 데이터를 검출할 수 있다. 즉, 발색요소인 헤모글로빈과 산화 헤모글로빈의 빛 흡수율이 가장 높은 파장인 녹색(G) 성분 채널을 사용함으로써, 심장 박동에 따른 헤모글로빈 농도의 변화를 측정하기에 더욱 용이하다.
In particular, the optical signal detector 220 may detect optical signal data of a green (G) component channel. That is, it is easier to measure the change in the hemoglobin concentration according to the heartbeat by using the green (G) component channel, which has the highest light absorption rate of hemoglobin and oxidized hemoglobin, which are the color elements.

광전변환부(230)는, 광신호 검출부(220)에서 검출된 광신호를 전하로 변환시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 광을 전하로 변환시키는 소자인 광전변화소자를 이용함으로써, 광전변화소자에 광이 전달되면, 광이 전하로 변환될 수 있다. 바람직하게는, 광전변화소자로서 포토 다이오드가 사용될 수 있다.
The photoelectric conversion unit 230 may convert the optical signal detected by the optical signal detection unit 220 into electric charge. More specifically, by using a photoelectric conversion element, which is an element that converts light into electric charge, when light is transmitted to the photoelectric conversion element, the light may be converted into electric charge. Preferably, a photodiode may be used as the photoelectric conversion element.

연산부(240)는, 광전변환부(230)에서 전하로 변환된 신호로부터 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산할 수 있다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템의 검출된 광신호의 세기와 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이의 상관관계를 이용하는 원리를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템의 헤모글로빈에서의 빛 반사를 도시한 도면이다. 도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 연산부(240)는 혈류량 변화를 연산하는 과정에서, 광신호 검출부(220)에서 검출된 광신호의 세기와 측정 대상자의 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이에 상관관계가 있다는 특징을 이용하여 연산할 수 있다.
The calculating unit 240 may calculate a change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured from the signal converted into electric charge by the photoelectric conversion unit 230 . 7 is a diagram illustrating a principle of using the correlation between the intensity of a detected optical signal and the subcutaneous reflectance according to a change in blood flow in the non-contact PPG signal measurement system using a camera according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a view showing light reflection in hemoglobin of a non-contact PPG signal measurement system using a camera according to an embodiment of the present invention. 7 to 8 , in the process of calculating the change in blood flow, the calculator 240 correlates the intensity of the optical signal detected by the optical signal detector 220 and the subcutaneous reflectance according to the change in blood flow of the subject to be measured. It can be calculated using the characteristic that there is a relationship.

보다 구체적으로, 연산부(240)는, 광전변환부(230)에서 전하로 변환된 신호의 세기를 x,y 좌표상의 픽셀값으로 저장하고, 대상 영역을 기설정된 혈류량이 일정하다고 볼 수 있는 작은 영역으로 나누어, 나누어진 각각의 작은 영역에서의 x,y 좌표상의 픽셀값의 평균값을 연산한 후에 시간에 따른 평균값 변화를 추적함으로써, 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산할 수 있다. 이하, 수학식을 이용하여 피하 혈류량 변화를 연산하는 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
More specifically, the operation unit 240 stores the intensity of the signal converted into electric charge by the photoelectric conversion unit 230 as pixel values on the x and y coordinates, and the target region is a small region in which a predetermined blood flow rate is constant. After calculating the average value of the pixel values on the x and y coordinates in each divided small area by , it is possible to calculate the change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured by tracking the change in the average value over time. Hereinafter, a method of calculating a change in subcutaneous blood flow using an equation will be described in more detail.

카메라부(100)에서 촬영된 영상의 각 프레임별, 측정 대상자 얼굴의 대상 영역으로부터 반사되어 나온 광신호의 세기를 각각 x,y 좌표에 픽셀값으로 저장할 수 있는데, 이 값을 V(x,y,t)라 한다. 이때, V(x,y,t)는, 아래의 [수학식 1]에서 알 수 있듯이, 조명의 세기 I(x,y,t)와 피부의 반사율 R(x,y,t) 두 가지 요소의 곱으로 구성될 수 있다.For each frame of the image captured by the camera unit 100, the intensity of the optical signal reflected from the target area of the subject's face may be stored as pixel values in the x and y coordinates, respectively, and this value is stored as V(x,y). , t). At this time, V(x,y,t) is, as can be seen from [Equation 1] below, the intensity of illumination I(x,y,t) and the reflectance of the skin R(x,y,t) are two factors. It can be composed of the product of

Figure 112019057036421-pat00001
Figure 112019057036421-pat00001

조명의 세기 I(x,y,t)는 측정 대상자 얼굴의 대상 영역에 비춰지는 모든 빛을 의미할 수 있다. 이 때, PPG가 측정되는 대상 영역에 한하여 일정한 조명의 세기가 필요하다. 피부의 반사율 R(x,y,t)은 피부로부터 반사된 광의 세기를 나타내는데, 이는 피부표면의 반사와 피하조직의 반사 이 두 종류의 반사로 이루어질 수 있다.
The intensity of illumination I(x, y, t) may mean all the light irradiated on the target area of the face of the measurement target. In this case, a constant intensity of illumination is required only for the target area in which the PPG is measured. The reflectance R(x,y,t) of the skin indicates the intensity of the light reflected from the skin, which can be composed of two types of reflection: the reflection of the skin surface and the reflection of the subcutaneous tissue.

측정 대상자 얼굴의 대상 영역을 혈류량이 일정하다고 할 수 있을 만큼 작은 영역 (Regions of interests, ROIs)으로 나누어, 나누어진 각각의 작은 영역에서의 V(x,y,t) 값을 R이라 할 수 있는데, 이때 yi(t)는 시간 t에 따른 ROI Ri 픽셀값의 평균값이며, I{1,2,…,n}는 R의 인덱스 값이다. ROI Ri 에서의 일정한 빛의 세기를 Ii로 나타낼 경우, yi(t)는 아래의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.The target region of the subject's face is divided into regions of interests (ROIs) small enough to say that blood flow is constant, and the V(x,y,t) value in each divided small region can be called R. , where y i (t) is the average value of ROI R i pixel values according to time t, and I{1,2,… ,n} is the index value of R. When a constant light intensity in ROI R i is expressed as I i , y i (t) can be expressed as in [Equation 2] below.

Figure 112019057036421-pat00002
Figure 112019057036421-pat00002

위의 [수학식 2]에서 Ii는 ROI Ri의 빛의 세기를 나타내며, ai는 혈류의 세기를 말하고, bi는 얼굴 피부 표면에서의 반사율을 말하며, qi(t)는 카메라 양자화 노이즈를 나타낸다. ROI Ri에 Ii의 빛이 비춰질 때 많은 양의 반사(bi)가 피부표면에서 이루어지는데, 이 값의 경우 혈류량 변화에 전혀 영향을 받지 않는 값이다. 하지만 일부분의 빛이 피부표면을 뚫고 들어가서 혈류변화에 따라 빛 반사량이 달라질 수 있는데, 이 값을 p(t)로 나타낸다. 여기서 피부표면 아래의 빛의 반사에 기여하는 두 요인 ai와 p(t)로 피하반사율을 구할 수 있다. 따라서, 연산부(240)는, ROI Ri 값이 측정 대상자의 혈류량 변화에 따른 피하반사율에 영향을 받는다는 특징을 이용하여 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산할 수 있다.
In [Equation 2] above, I i represents the light intensity of ROI R i , a i represents the blood flow intensity, b i represents the reflectance on the skin surface of the face, and q i (t) is the camera quantization represents noise. When the light of I i is illuminated on ROI R i , a large amount of reflection ( b i ) occurs on the skin surface, and in this case, it is a value that is not affected by changes in blood flow at all. However, a portion of light penetrates the skin surface and the amount of light reflection may vary depending on changes in blood flow, and this value is expressed as p(t). Here, the subcutaneous reflectance can be calculated from the two factors ai and p(t) that contribute to the reflection of light below the skin surface. Accordingly, the calculator 240 may calculate the change in the subcutaneous blood flow of the subject by using the characteristic that the ROI R i value is affected by the subcutaneous reflectance according to the change in the blood flow of the subject to be measured.

주파수 신호 변환부(250)는, 연산부(240)에서 연산된 신호를 주파수 신호로 변환시킬 수 있다. 즉, 연산부(240)에서 연산된 측정 대상자의 피하 혈류량 변화 신호를 주파수 영역의 주파수 신호로 변환시킬 수 있다.
The frequency signal converter 250 may convert the signal calculated by the calculator 240 into a frequency signal. That is, the subcutaneous blood flow change signal of the subject to be measured calculated by the calculator 240 may be converted into a frequency signal in the frequency domain.

제어부(260)는, 주파수 신호 변환부(250)에서 변환된 신호를 가공할 수 있다. 즉, 제어부(260)는, 주파수 신호 변환부(250)에서 변환된 PPG 신호에서 노이즈 또는 잡음을 필터링하여, 출력되는 PPG 신호의 주파수 범위를 결정하는 필터부(261)를 포함할 수 있다. 영상을 구성하는 각각의 프레임에서의 얼굴 위치의 변화, 얼굴 방향의 변화 또는 얼굴 표정의 변화 등 얼굴의 움직임이나 측정 대상자 얼굴의 대상 영역을 비추는 빛과 같은 환경의 변화로 인하여 측정되는 광신호에 영향을 줄 수 있는데, 이러한 노이즈는 심박 성분의 검출에 방해가 될 수 있다. 따라서, 노이즈 성분을 제거하거나, 저감하는 것이 바람직하다. 일반적으로 노이즈 성분은 심박 성분보다 낮은 주파수 성분으로 구성되나 반드시 낮은 주파수일 필요는 없으며, 심박 성분보다 더 높거나 같을 수 있다. 제어부(260)는, 밴드패스 필터 등의 필터를 사용함으로써, 출력되는 PPG 신호의 주파수 범위를 결정하여, 노이즈 성분이 제거된 정확한 PPG 신호를 추출할 수 있다.
The controller 260 may process the signal converted by the frequency signal converter 250 . That is, the controller 260 may include a filter unit 261 that filters noise or noise from the PPG signal converted by the frequency signal converter 250 and determines a frequency range of the output PPG signal. Affects the measured optical signal due to changes in the environment, such as the movement of the face or the light illuminating the target area of the subject's face However, such noise may interfere with the detection of heartbeat components. Therefore, it is desirable to remove or reduce the noise component. In general, the noise component is composed of a frequency component lower than the heartbeat component, but does not necessarily have a lower frequency, and may be higher than or equal to the heartbeat component. The control unit 260 may determine a frequency range of the output PPG signal by using a filter such as a bandpass filter, and extract an accurate PPG signal from which a noise component is removed.

증폭부(262)는, 노이즈 또는 잡음이 필터링 되어 출력된 PPG 신호를 적절한 이득 값으로 증폭시킬 수 있다. 즉, 증폭부(262)에서는 가변저항을 이용함으로써, 사람마다 얻어지는 다양한 파형의 PPG 신호에 따라 증폭률을 조절할 수 있는데, 파형이 작게 나오는 사람의 경우 PPG 신호를 적절한 이득 값으로 증폭시킬 수 있다.
The amplifying unit 262 may amplify the PPG signal output after noise or noise has been filtered to an appropriate gain value. That is, the amplification unit 262 can adjust the amplification factor according to the PPG signal of various waveforms obtained by each person by using a variable resistor. In the case of a person with a small waveform, the PPG signal can be amplified to an appropriate gain value.

심박수결정부(270)는, 제어부(260)에서 가공된 PPG 신호로부터 측정 대상자의 심박수를 결정한다. 즉, PPG 신호의 파형에서 피크 값에 대응되는 수를 심박수로 결정할 수 있는데, 예를 들면 PPG 신호의 파형에서 1분 동안 몇 번의 피크 값을 가지는지 계산하여, 1분 동안의 심장 박동수를 구할 수 있다.
The heart rate determiner 270 determines the heart rate of the subject from the PPG signal processed by the controller 260 . That is, the number corresponding to the peak value in the waveform of the PPG signal can be determined as the heart rate. For example, the number of peak values in the waveform of the PPG signal in 1 minute can be calculated to obtain the heart rate in 1 minute. have.

디스플레이부(300)는, 중앙처리부(200)에서 연산된 PPG 신호 및 PPG 신호로부터 추출된 심박수를 디스플레이 화면에 표시할 수 있다. 즉, 디스플레이부(300)는, 측정 대상자가 자신의 PPG 신호나 심박수를 알 수 있도록 보여주는 모든 장치가 이용될 수 있는데, 예를 들면, 텔레비전의 액정 디스플레이, 컴퓨터의 액정 디스플레이 또는 휴대전화의 액정 디스플레이일 수 있다.
The display unit 300 may display the PPG signal calculated by the central processing unit 200 and the heart rate extracted from the PPG signal on the display screen. That is, the display unit 300 may be any device that shows the measurement target to know their PPG signal or heart rate, for example, a liquid crystal display of a television, a liquid crystal display of a computer, or a liquid crystal display of a mobile phone. can be

스트레스 연산부(400)는, 제어부(260)에서 가공된 PPG 신호로부터 추출된 심박변이도 지표와 스트레스에 의한 자율신경계 활성화의 정적 상관관계를 이용하여 스트레스 지수를 연산할 수 있다. 여기서, 심박변이도 지표로서, SDNN(standard deviation of all RR interval: PPG 신호의 해당구간 R peak 간격 연속의 표준편차), RMSSD(square root of the mean squared differences of successive normal sinus intervals: PPG 신호의 해당구간 R peak 간격 연속의 제곱평균제곱근), LF(low frequency: 저주파 성분), HF(high frequency: 고주파 성분), 또는 LF/HF(저주파 성분과 고주파 성분의 비율)를 이용할 수 있다.
The stress calculator 400 may calculate the stress index by using the heart rate variability index extracted from the PPG signal processed by the controller 260 and the static correlation between the autonomic nervous system activation due to stress. Here, as the heart rate variability index, SDNN (standard deviation of all RR interval: standard deviation of continuous R peak interval of PPG signal), RMSSD (square root of the mean squared differences of successive normal sinus intervals: corresponding interval of PPG signal) R peak interval continuous root mean square), LF (low frequency: low frequency component), HF (high frequency: high frequency component), or LF/HF (ratio of low frequency component to high frequency component) can be used.

예를 들면, SDNN 값에서 간격이 넓을수록 변화도가 크다는 뜻이며, 일반적으로 변화도가 클수록 건강하다는 것을 이용하여 육체의 피로도를 연산할 수 있고, RMSSD 값의 수치가 높으면 심장이 안정도가 높다는 것을 이용하여, 부교감 신경의 활동을 알 수 있다. LF 값의 경우 교감신경계 활성도를 반영하는데, 정신 스트레스와 피로감에 영향을 받으며, 특히 급성 스트레스 정도를 평가할 수 있고, 우울 또는 분노와 상관관계가 있으며, HF 값의 경우 부교감신경계 활성도를 반영하는데, 호흡 활동과 밀접한 관련이 있으며, 장기적인 스트레스, 불안, 또는 공포와 상관관계가 있다. LF/HF 값은 자율신경계의 전체적인 균형 정도를 반영하는데, 일반적으로 건강한 사람은 깨어 있는 동안에 LF 값이 HF 값보다 높다. 따라서, PPG 신호로부터 추출된 심박변이도 지표와 스트레스에 의한 자율신경계 활성화의 정적 상관관계를 이용함으로써, 본 발명인 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템을 이용하여 스트레스 지수를 측정할 수 있고, 측정된 스트레스 지수를 디스플레이부(300)의 화면에 표시할 수도 있다.
For example, in the SDNN value, the wider the interval, the greater the gradient. In general, the greater the gradient, the healthier the body can be used to calculate the physical fatigue, and the higher the RMSSD value, the greater the stability of the heart. It can be used to know the activity of the parasympathetic nerve. The LF value reflects the sympathetic nervous system activity, and it is affected by mental stress and fatigue. In particular, the acute stress level can be evaluated, and it is correlated with depression or anger, and the HF value reflects the parasympathetic nervous system activity. It is closely related to activity and correlates with long-term stress, anxiety, or fear. The LF/HF value reflects the overall balance of the autonomic nervous system. In general, healthy people have higher LF values than HF values while awake. Therefore, by using the positive correlation between the heart rate variability index extracted from the PPG signal and the autonomic nervous system activation due to stress, the stress index can be measured using the non-contact PPG signal measurement system using the camera of the present invention, and the measured stress index may be displayed on the screen of the display unit 300 .

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템 구동 방법의 흐름을 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템에서 PPG 신호를 연산하는 방법의 흐름을 도시한 도면이다. 도 9 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 방법은, 측정 대상자의 영상을 촬영하는 단계(S100), 단계 S100에서 촬영된 영상으로부터 측정 대상자의 PPG 신호를 연산하는 단계(S200), 및 단계 S200에서 연산된 PPG 신호 및 PPG 신호로부터 추출된 심박수를 디스플레이 화면에 표시하는 단계(S300)를 포함하여 구현될 수 있으며, 단계 S200은, 단계 S100에서 촬영된 측정 대상자의 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 단계(S210), 단계 S210에서 선택된 대상 영역에서 반사되어 나온 광신호를, 단계 S100에서 촬영된 영상의 각 프레임별로 검출하는 단계(S220), 단계 S220에서 검출된 광신호를 전하로 변환시키는 단계(S230), 단계 S230에서 전하로 변환된 신호로부터 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하는 단계(S240), 단계 S240에서 연산된 신호를 주파수 신호로 변환시켜 PPG 신호로 출력하는 단계(S250), 단계 S250에서 변환된 PPG 신호를 가공하는 단계(S260), 및 단계 S260에서 가공된 PPG 신호로부터 측정 대상자의 심박수를 결정하는 단계(S270)를 포함하여 구현될 수 있다.
9 is a diagram illustrating a flow of a method for driving a non-contact PPG signal measuring system using a camera according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a PPG in a non-contact PPG signal measuring system using a camera according to an embodiment of the present invention. It is a diagram showing the flow of a method for calculating a signal. 9 to 10 , the non-contact PPG signal measurement method using a camera according to an embodiment of the present invention includes the steps of capturing an image of the subject to be measured (S100), and the subject to be measured from the image captured in step S100. and calculating the PPG signal of (S200), and displaying the PPG signal calculated in the step S200 and the heart rate extracted from the PPG signal on the display screen (S300), wherein the step S200 is the step S100 Step of selecting a target region from which an optical signal is to be extracted from the image of the subject to be measured (S210), and detecting the optical signal reflected from the target region selected in step S210 for each frame of the image taken in step S100 (S220), converting the optical signal detected in step S220 into electric charge (S230), calculating a change in subcutaneous blood flow of the subject to be measured from the signal converted into electric charge in step S230 (S240), the signal calculated in step S240 is converted into a frequency signal and output as a PPG signal (S250), processing the PPG signal converted in step S250 (S260), and determining the heart rate of the subject to be measured from the PPG signal processed in step S260 (S270) ) can be implemented.

각각의 단계들과 관련된 상세한 내용들은, 앞서 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템과 관련하여 충분히 설명되었으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
Since the details related to each step have been sufficiently described in relation to the non-contact PPG signal measurement system using a camera according to an embodiment of the present invention, the detailed description will be omitted.

이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.Various modifications and applications of the present invention described above are possible by those skilled in the art to which the present invention pertains, and the scope of the technical idea according to the present invention should be defined by the following claims.

100: 카메라부
200: 중앙처리부
210: 영역 선택부
211: 얼굴 인식부
212: 특징점 검출부
213: 특징점 추출부
214: 영역 결정부
215: 영상 재요구부
220: 광신호 검출부
230: 광전변환부
240: 연산부
250: 주파수 신호 변환부
260: 제어부
270: 심박수결정부
300: 디스플레이부
400: 스트레스 연산부
S100: 측정 대상자의 영상을 촬영하는 단계
S200: 촬영된 영상으로부터 측정 대상자의 PPG 신호를 연산하는 단계
S210: 촬영된 측정 대상자의 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 단계
S220: 선택된 대상 영역에서 반사되어 나온 광신호를, 영상의 각 프레임별로 검출하는 단계
S230: 검출된 광신호를 전하로 변환시키는 단계
S240: 전하로 변환된 신호로부터 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하는 단계
S250: 연산된 신호를 주파수 신호로 변환시켜 PPG 신호로 출력하는 단계
S260: 변환된 PPG 신호를 가공하는 단계
S270: 가공된 PPG 신호로부터 측정 대상자의 심박수를 결정하는 단계
S300: 연산된 PPG 신호 및 PPG 신호로부터 추출된 심박수를 디스플레이 화면에 표시하는 단계
100: camera unit
200: central processing unit
210: area selection unit
211: face recognition unit
212: feature point detection unit
213: feature point extraction unit
214: area determining unit
215: video request unit
220: optical signal detection unit
230: photoelectric conversion unit
240: arithmetic unit
250: frequency signal conversion unit
260: control unit
270: heart rate determination unit
300: display unit
400: stress calculator
S100: Step of taking an image of the subject to be measured
S200: Calculating the PPG signal of the subject to be measured from the captured image
S210: Step of selecting a target area to extract an optical signal from the photographed image of the subject to be measured
S220: Detecting the optical signal reflected from the selected target area for each frame of the image
S230: Converting the detected optical signal into electric charge
S240: Calculating the change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured from the signal converted to electric
S250: converting the calculated signal into a frequency signal and outputting it as a PPG signal
S260: processing the converted PPG signal
S270: Determining the heart rate of the subject from the processed PPG signal
S300: displaying the calculated PPG signal and the heart rate extracted from the PPG signal on a display screen

Claims (20)

카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템에 있어서,
심박수 측정 대상자(이하, 측정 대상자라 한다)의 영상을 촬영하는 카메라부(100);
상기 카메라부(100)에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 PPG 신호를 연산하는 중앙처리부(200); 및
상기 중앙처리부(200)에서 연산된 PPG 신호 및 상기 PPG 신호로부터 추출된 심박수를 디스플레이 화면에 표시하는 디스플레이부(300)를 포함하며,
상기 중앙처리부(200)는,
상기 카메라부(100)에서 촬영된 상기 측정 대상자의 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 영역 선택부(210);
상기 영역 선택부(210)에서 선택된 대상 영역에서 반사되어 나온 광신호를, 상기 카메라부(100)에서 촬영된 영상의 각 프레임별로 검출하는 광신호 검출부(220);
상기 광신호 검출부(220)에서 검출된 광신호를 전하로 변환시키는 광전변환부(230);
상기 광전변환부(230)에서 전하로 변환된 신호로부터 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하는 연산부(240);
상기 연산부(240)에서 연산된 신호를 주파수 신호로 변환시켜 PPG 신호로 출력하는 주파수 신호 변환부(250);
상기 주파수 신호 변환부(250)에서 변환된 PPG 신호를 가공하는 제어부(260); 및
상기 제어부(260)에서 가공된 PPG 신호로부터 상기 측정 대상자의 심박수를 결정하는 심박수결정부(270)를 포함하며,
상기 영역 선택부(210)는,
상기 카메라부(100)에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 인식하는 얼굴 인식부(211);
상기 얼굴 인식부(211)에서 인식된 얼굴에서 모든 특징점을 검출하는 특징점 검출부(212);
상기 특징점 검출부(212)에서 검출된 특징점 중 측정 대상자의 얼굴 인식 및 광신호 추출에 효과적인 유효 특징점만 추출하는 특징점 추출부(213);
상기 특징점 추출부(213)에서 추출된 유효 특징점으로부터 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하는 영역 결정부(214); 및
상기 카메라부(100)에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 인식하기에 부적합하거나, 상기 측정 대상자의 얼굴에서 상기 광신호를 추출할 상기 대상 영역을 결정하기에 부적합한 경우, 상기 측정 대상자의 얼굴 영상 재획득을 요구하는 영상 재요구부(215)를 포함하고,
상기 영역 결정부(214)는,
모세혈관의 밀집 정도, 표정에 의한 움직임 정도 및 프레임 내에서 얼굴 움직임에 따른 영향을 고려하여, 코의 일측에 위치한 유효 특징점, 귀의 하단에 위치한 유효 특징점, 및 입의 일측에 위치한 유효 특징점을 연결하는 직선으로 둘러싸인 삼각형의 영역을 상기 대상 영역으로 결정하며,
상기 연산부(240)는,
상기 광신호 검출부(220)에서 검출된 광신호의 세기와 상기 측정 대상자의 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이에 상관관계가 있다는 특징을 이용하여 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하고,
상기 연산부(240)는,
상기 광전변환부(230)에서 전하로 변환된 신호의 세기를 x,y 좌표상의 픽셀값으로 저장하고, 상기 대상 영역을 기설정된 혈류량이 일정하다고 볼 수 있는 작은 영역으로 나누어, 나누어진 각각의 작은 영역에서의 상기 x,y 좌표상의 픽셀값의 평균값을 연산한 후에 시간에 따른 상기 평균값 변화를 추적함으로써, 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하며,
상기 제어부(260)에서 가공된 PPG 신호로부터 추출된 심박변이도 지표와 스트레스에 의한 자율신경계 활성화의 정적 상관관계를 이용하여 스트레스 지수를 연산하는 스트레스 연산부(400)를 더 포함하되,
상기 심박변이도 지표는,
SDNN(standard deviation of all RR interval) 값, RMSSD(square root of the mean squared differences of successive normal sinus intervals) 값, LF(low frequency) 값, HF(high frequency) 값, 또는 LF/HF 값인 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템.
In the non-contact PPG signal measurement system using a camera,
a camera unit 100 for capturing an image of a heart rate measurement target (hereinafter, referred to as a measurement target);
a central processing unit 200 for calculating the PPG signal of the subject to be measured from the image taken by the camera unit 100; and
and a display unit 300 for displaying the PPG signal calculated by the central processing unit 200 and the heart rate extracted from the PPG signal on a display screen,
The central processing unit 200,
a region selection unit 210 for selecting a target region from which an optical signal is to be extracted from the image of the subject to be measured taken by the camera unit 100;
an optical signal detection unit 220 for detecting the optical signal reflected from the target area selected by the area selection unit 210 for each frame of the image photographed by the camera unit 100;
a photoelectric conversion unit 230 for converting the optical signal detected by the optical signal detection unit 220 into electric charge;
a calculation unit 240 for calculating a change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured from the signal converted into electric charge by the photoelectric conversion unit 230;
a frequency signal converter 250 for converting the signal calculated by the calculator 240 into a frequency signal and outputting it as a PPG signal;
a control unit 260 for processing the PPG signal converted by the frequency signal converting unit 250; and
and a heart rate determination unit 270 for determining the heart rate of the subject to be measured from the PPG signal processed by the control unit 260,
The region selection unit 210,
a face recognition unit 211 for recognizing the face of the subject to be measured from the image taken by the camera unit 100;
a feature point detection unit 212 for detecting all the feature points from the face recognized by the face recognition unit 211;
a feature point extracting unit 213 for extracting only effective feature points effective for face recognition and optical signal extraction of a measurement target from among the feature points detected by the feature point detection unit 212;
a region determining unit 214 for determining a target region from which an optical signal is to be extracted from the effective key points extracted by the key point extraction unit 213; and
When it is inappropriate to recognize the face of the subject to be measured from the image taken by the camera unit 100 or to determine the target region from which the optical signal is to be extracted from the face of the subject, the face of the subject to be measured and an image re-requesting unit 215 for requesting image re-acquisition,
The region determining unit 214 is
Considering the density of capillaries, the degree of movement by facial expressions, and the effect of facial movement within the frame, the effective feature point located on one side of the nose, the effective feature point located at the bottom of the ear, and the effective feature point located on one side of the mouth are connected. Determining the area of a triangle surrounded by a straight line as the target area,
The calculation unit 240,
Calculate the change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured using the feature that there is a correlation between the intensity of the optical signal detected by the optical signal detector 220 and the subcutaneous reflectance according to the change in the blood flow of the subject to be measured,
The calculation unit 240,
The photoelectric conversion unit 230 stores the intensity of the signal converted into electric charge as pixel values on the x and y coordinates, and divides the target region into small regions in which a predetermined blood flow rate can be considered constant, and each divided After calculating the average value of the pixel values on the x, y coordinates in the region, the change in the average value over time is tracked to calculate the change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured,
Further comprising a stress calculator 400 for calculating a stress index by using the heart rate variability index extracted from the PPG signal processed by the controller 260 and the static correlation of the autonomic nervous system activation due to stress,
The heart rate variability indicator is
SDNN (standard deviation of all RR interval) value, RMSSD (square root of the mean squared differences of successive normal sinus intervals) value, LF (low frequency) value, HF (high frequency) value, or LF / HF value A non-contact PPG signal measurement system using a camera.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 광신호 검출부(220)는,
상기 카메라부(100)에서 촬영된 영상에서 다수의 색상의 광신호를 검출하는 경우, 상기 프레임마다 색상 채널별 분리된 각각의 광신호 데이터값을 검출하는 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템.
According to claim 1, wherein the optical signal detection unit 220,
Non-contact PPG signal using a camera, characterized in that when optical signals of a plurality of colors are detected in the image photographed by the camera unit 100, each optical signal data value separated for each color channel is detected for each frame measuring system.
제4항에 있어서, 상기 광신호 검출부(220)는,
헤모글로빈과 산화 헤모글로빈의 빛 흡수율이 가장 높은 파장인 녹색(G) 채널에서의 광신호 데이터값을 검출하는 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템.
The method of claim 4, wherein the optical signal detection unit 220,
A non-contact PPG signal measuring system using a camera, characterized in that the optical signal data value is detected in the green (G) channel, which has the highest light absorption rate of hemoglobin and oxidized hemoglobin.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 제어부(260)는,
상기 주파수 신호 변환부(250)에서 변환된 PPG 신호에서 노이즈 또는 잡음을 필터링하여, 출력되는 PPG 신호의 주파수 범위를 결정하는 필터부(261)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템.
According to claim 1, wherein the control unit 260,
Non-contact PPG signal using a camera, characterized in that it includes a filter unit 261 that filters noise or noise from the PPG signal converted by the frequency signal converter 250 and determines a frequency range of the output PPG signal. measuring system.
제8항에 있어서, 상기 제어부(260)는,
상기 필터부(261)에서 노이즈 또는 잡음이 필터링 되어 출력된 PPG 신호를 적절한 이득 값으로 증폭시켜주는 증폭부(262)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 시스템.
The method of claim 8, wherein the control unit 260,
Non-contact PPG signal measurement system using a camera, characterized in that it further comprises an amplifier (262) for amplifying the PPG signal output after the noise or noise has been filtered by the filter unit (261) to an appropriate gain value.
삭제delete 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 방법으로서,
(1) 측정 대상자의 영상을 촬영하는 단계;
(2) 상기 단계 (1)에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 PPG 신호를 연산하는 단계; 및
(3) 상기 단계 (2)에서 연산된 PPG 신호 및 상기 PPG 신호로부터 추출된 심박수를 디스플레이 화면에 표시하는 단계를 포함하며,
상기 단계 (2)는,
(2-1) 상기 단계 (1)에서 촬영된 상기 측정 대상자의 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 단계;
(2-2) 상기 단계 (2-1)에서 선택된 대상 영역에서 반사되어 나온 광신호를, 상기 단계 (1)에서 촬영된 영상의 각 프레임별로 검출하는 단계;
(2-3) 상기 단계 (2-2)에서 검출된 광신호를 전하로 변환시키는 단계;
(2-4) 상기 단계 (2-3)에서 전하로 변환된 신호로부터 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하는 단계;
(2-5) 상기 단계 (2-4)에서 연산된 신호를 주파수 신호로 변환시켜 PPG 신호로 출력하는 단계;
(2-6) 상기 단계 (2-5)에서 변환된 PPG 신호를 가공하는 단계; 및
(2-7) 상기 단계 (2-6)에서 가공된 PPG 신호로부터 상기 측정 대상자의 심박수를 결정하는 단계를 포함하며,
상기 단계 (2-1)은,
(2-1-1) 상기 단계 (1)에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 인식하는 단계;
(2-1-2) 상기 단계 (2-1-1)에서 인식된 얼굴에서 모든 특징점을 검출하는 단계;
(2-1-3) 상기 단계 (2-1-2)에서 검출된 특징점 중 광신호 추출에 효과적인 유효 특징점만 추출하는 단계;
(2-1-4) 상기 단계 (2-1-3)에서 추출된 유효 특징점으로부터 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하는 단계; 및
(2-1-5) 상기 단계 (1)에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 인식하기에 부적합하거나, 상기 측정 대상자의 얼굴에서 상기 광신호를 추출할 상기 대상 영역을 결정하기에 부적합한 경우, 상기 측정 대상자의 얼굴 영상 재획득을 요구하는 단계를 포함하고,
상기 단계 (2-1-4)에서는,
모세혈관의 밀집 정도, 표정에 의한 움직임 정도 및 프레임 내에서 얼굴 움직임에 따른 영향을 고려하여, 코의 일측에 위치한 유효 특징점, 귀의 하단에 위치한 유효 특징점, 및 입의 일측에 위치한 유효 특징점을 연결하는 직선으로 둘러싸인 삼각형의 영역을 상기 대상 영역으로 결정하며,
상기 단계 (2-4)에서는,
상기 단계 (2-2)에서 검출된 광신호의 세기와 상기 측정 대상자의 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이에 상관관계가 있다는 특징을 이용하여 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하고,
상기 단계 (2-4)에서는,
상기 단계 (2-3)에서 전하로 변환된 신호의 세기를 x,y 좌표상의 픽셀값으로 저장하고, 상기 대상 영역을 기설정된 혈류량이 일정하다고 볼 수 있는 작은 영역으로 나누어, 나누어진 각각의 작은 영역에서의 상기 x,y 좌표상의 픽셀값의 평균값을 연산한 후에 시간에 따른 상기 평균값 변화를 추적함으로써, 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하며,
(4) 상기 단계 (2-6)에서 가공된 PPG 신호로부터 추출된 심박변이도 지표와 스트레스에 의한 자율신경계 활성화의 정적 상관관계를 이용하여 스트레스 지수를 연산하는 단계를 더 포함하되,
상기 심박변이도 지표는,
SDNN(standard deviation of all RR interval) 값, RMSSD(square root of the mean squared differences of successive normal sinus intervals) 값, LF(low frequency) 값, HF(high frequency) 값, 또는 LF/HF 값인 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 방법.
A non-contact PPG signal measurement method using a camera, comprising:
(1) taking an image of the subject to be measured;
(2) calculating the PPG signal of the subject to be measured from the image taken in step (1); and
(3) displaying the PPG signal calculated in step (2) and the heart rate extracted from the PPG signal on a display screen,
The step (2) is,
(2-1) selecting a target region from which an optical signal is to be extracted from the image of the subject to be measured taken in step (1);
(2-2) detecting the optical signal reflected from the target area selected in step (2-1) for each frame of the image captured in step (1);
(2-3) converting the optical signal detected in step (2-2) into electric charge;
(2-4) calculating a change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured from the signal converted into electric charge in the step (2-3);
(2-5) converting the signal calculated in step (2-4) into a frequency signal and outputting it as a PPG signal;
(2-6) processing the PPG signal converted in the step (2-5); and
(2-7) comprising the step of determining the heart rate of the subject to be measured from the PPG signal processed in the step (2-6),
The step (2-1) is,
(2-1-1) recognizing the face of the subject to be measured from the image captured in step (1);
(2-1-2) detecting all the feature points from the face recognized in the step (2-1-1);
(2-1-3) extracting only effective feature points effective for optical signal extraction among the feature points detected in step (2-1-2);
(2-1-4) determining a target region from which an optical signal is to be extracted from the effective feature points extracted in the step (2-1-3); and
(2-1-5) In case of inappropriate for recognizing the face of the subject to be measured from the image taken in step (1), or inappropriate for determining the target region from which the optical signal is to be extracted from the face of the subject to be measured , comprising the step of requesting re-acquisition of the subject's face image,
In the above step (2-1-4),
Considering the density of capillaries, the degree of movement by facial expressions, and the effect of facial movement within the frame, the effective feature point located on one side of the nose, the effective feature point located at the bottom of the ear, and the effective feature point located on one side of the mouth are connected. Determining the area of a triangle surrounded by a straight line as the target area,
In the above step (2-4),
Calculate the change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured using the feature that there is a correlation between the intensity of the optical signal detected in the step (2-2) and the subcutaneous reflectance according to the change in the blood flow of the subject to be measured,
In the above step (2-4),
The intensity of the signal converted into electric charge in step (2-3) is stored as pixel values on the x and y coordinates, and the target area is divided into small areas in which a predetermined blood flow can be considered constant, and each divided After calculating the average value of the pixel values on the x, y coordinates in the region, the change in the average value over time is tracked to calculate the change in the subcutaneous blood flow of the subject to be measured,
(4) calculating the stress index using the positive correlation between the heart rate variability index extracted from the PPG signal processed in the step (2-6) and the autonomic nervous system activation due to stress,
The heart rate variability indicator is
SDNN (standard deviation of all RR interval) value, RMSSD (square root of the mean squared differences of successive normal sinus intervals) value, LF (low frequency) value, HF (high frequency) value, or LF / HF value A non-contact PPG signal measurement method using a camera.
삭제delete 삭제delete 제11항에 있어서, 상기 단계 (2-2)에서는,
상기 단계 (1)에서 촬영된 영상에서 다수의 색상의 광신호를 검출하는 경우, 상기 프레임마다 색상 채널별 분리된 각각의 광신호 데이터값을 검출하는 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 방법.
The method of claim 11, wherein in step (2-2),
Non-contact PPG signal measurement using a camera, characterized in that when optical signals of a plurality of colors are detected in the image taken in step (1), each optical signal data value separated for each color channel is detected for each frame Way.
제14항에 있어서, 상기 단계 (2-2)에서는,
헤모글로빈과 산화 헤모글로빈의 빛 흡수율이 가장 높은 파장인 녹색(G)채널에서의 광신호 데이터값을 검출하는 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 방법.
15. The method of claim 14, wherein in step (2-2),
A method for measuring a non-contact PPG signal using a camera, characterized in that the optical signal data value is detected in the green (G) channel, which is a wavelength having the highest light absorption of hemoglobin and oxidized hemoglobin.
삭제delete 삭제delete 제11항에 있어서, 상기 단계 (2-6)은,
(2-6-1) 상기 단계 (2-5)에서 변환된 PPG 신호에서 노이즈 또는 잡음을 필터링하여, 출력되는 PPG 신호의 주파수 범위를 결정하는 필터링 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 방법.
According to claim 11, wherein the step (2-6),
(2-6-1) Filtering the noise or noise from the PPG signal converted in the step (2-5) to determine the frequency range of the output PPG signal, characterized in that it includes a filtering step. Non-contact PPG signal measurement method.
제18항에 있어서, 상기 단계 (2-6)은,
(2-6-2) 상기 단계 (2-6-1)에서 노이즈 또는 잡음이 필터링 되어 출력된 PPG 신호를 적절한 이득 값으로 증폭시켜주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 PPG 신호 측정 방법.
The method of claim 18, wherein step (2-6) comprises:
(2-6-2) Non-contact PPG using a camera, characterized in that it further comprises the step of amplifying the PPG signal output after the noise or noise has been filtered in the step (2-6-1) to an appropriate gain value. How to measure the signal.
삭제delete
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