KR102640218B1 - A method and an apparatus for estimating respiratory rate through rPPG signals - Google Patents

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KR102640218B1
KR102640218B1 KR1020230051495A KR20230051495A KR102640218B1 KR 102640218 B1 KR102640218 B1 KR 102640218B1 KR 1020230051495 A KR1020230051495 A KR 1020230051495A KR 20230051495 A KR20230051495 A KR 20230051495A KR 102640218 B1 KR102640218 B1 KR 102640218B1
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이의철
서현수
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상명대학교산학협력단
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Abstract

일 측면에 따른 비접촉 광혈류량 신호를 통해 호흡수를 추정하는 방법은, 피부 영상에서 휘도 성분을 추출하는 단계; 상기 휘도 성분에서 노이즈를 제거하는 단계; 상기 노이즈가 제거된 휘도 성분에 필터를 적용하여 제1 데이터를 획득하는 단계; 및 상기 제1 데이터를 제1 주파수로 변환하고 상기 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정하는 단계;를 포함한다.A method of estimating a respiratory rate through a non-contact photoplethysmographic signal according to one aspect includes extracting a luminance component from a skin image; removing noise from the luminance component; acquiring first data by applying a filter to the luminance component from which the noise has been removed; and converting the first data into a first frequency and estimating the breathing rate using the frequency with the highest power among the first frequencies.

Description

비접촉 광혈류량 신호를 통해 호흡수를 추정하는 방법 및 장치{A method and an apparatus for estimating respiratory rate through rPPG signals}{A method and an apparatus for estimating respiratory rate through rPPG signals}

본 발명은 비접촉 광혈류량 신호를 통해 호흡수를 추정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and device for estimating respiratory rate through a non-contact photoplethysmographic signal.

최근 영상기술의 발달로 높은 프레임레이트의 영상을 얻을 수 있게 되면서, 비접촉 광혈류량(rPPG) 신호를 추출하여 영상 속 인물의 다양한 생체 신호를 추정하는 기술이 개발되었다. 이때 추정 가능한 생체 신호에는 호흡수가 있다.Recently, with the development of imaging technology, it has become possible to obtain high frame rate images, and a technology has been developed to extract non-contact photoplethysmographic (rPPG) signals to estimate various biological signals of people in the image. At this time, the biosignals that can be estimated include respiratory rate.

호흡은 신체의 상태와 기능을 나타내는 중요한 신호인 4대 활력 징후(Vital Sign) 중 하나로서 심박변이도(Heart Rate Variability, HRV)와 깊은 관련이 있다. 호흡 신호 측정은 건강 상태를 파악하여 다양한 치료에 활용될 수 있을 뿐 아니라 반응을 확인하는 유의미한 생리적 변수로 제시될 수 있다.
선행기술문헌: 국내등록특허공보 제10-2358325호(2022.01.27)
Breathing is one of the four vital signs, which are important signals indicating the body's condition and function, and is deeply related to heart rate variability (HRV). Respiratory signal measurement can not only be used for various treatments by determining health status, but can also be presented as a meaningful physiological variable to confirm response.
Prior art literature: Domestic Patent Publication No. 10-2358325 (2022.01.27)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 별도의 추가 장비 없이 원격 카메라를 통해 촬영한 피부 영상으로부터 비접촉 광혈류량 신호를 추출한 후, 호흡수를 추정하는 방법 및 그 방법을 구현하기 위한 장치를 제공하는 데에 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for estimating the respiratory rate after extracting a non-contact photoplethysmographic signal from a skin image captured through a remote camera without any additional equipment, and a device for implementing the method. .

상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 광혈류량 신호를 통해 호흡수를 추정하는 방법은, 피부 영상에서 휘도 성분을 추출하는 단계; 상기 휘도 성분에서 노이즈를 제거하는 단계; 상기 노이즈가 제거된 휘도 성분에 필터를 적용하여 제1 데이터를 획득하는 단계; 및 상기 제1 데이터를 제1 주파수로 변환하고 상기 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정하는 단계;를 포함한다.In order to solve the above-described problem of the present invention, a method of estimating a respiratory rate through a non-contact photoplethysmographic signal according to an embodiment of the present invention includes the steps of extracting a luminance component from a skin image; removing noise from the luminance component; acquiring first data by applying a filter to the luminance component from which the noise has been removed; and converting the first data into a first frequency and estimating the breathing rate using the frequency with the highest power among the first frequencies.

다른 측면에 따른 비접촉 광혈류량 신호를 통해 호흡수를 추정하는 장치는, 적어도 하나의 메모리; 및 적어도 하나의 프로세서;를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 피부 영상에서 휘도 성분을 추출하고, 상기 휘도 성분에서 노이즈를 제거하고, 상기 노이즈가 제거된 휘도 성분에 필터를 적용하여 제1 데이터를 획득하고, 상기 제1 데이터를 제1 주파수로 변환하고 상기 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정하는 장치를 제어한다.According to another aspect, an apparatus for estimating a respiratory rate through a non-contact photoplethysmographic signal includes at least one memory; and at least one processor, wherein the at least one processor extracts a luminance component from a skin image, removes noise from the luminance component, and applies a filter to the luminance component from which the noise has been removed to generate first data. Obtains, converts the first data into a first frequency, and controls a device that estimates the respiratory rate using the frequency with the highest power among the first frequencies.

또 다른 측면에 다른 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 상술한 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체를 포함한다.On the other hand, another computer-readable recording medium includes a recording medium on which a program for executing the above-described method on a computer is recorded.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 혈류량에 의한 색상 변화를 통해 호흡수를 추정하는 종래의 기술보다 호흡할 때 몸의 움직임에 의한 밝기 변화를 통해 호흡수를 추정하는 본 발명을 통해 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to one embodiment of the present invention, accuracy can be improved through the present invention, which estimates the respiratory rate through changes in brightness due to body movement when breathing, rather than the conventional technology of estimating the respiratory rate through color changes due to blood flow. There is a possible effect.

또한, 호흡 측정 센서(흉부 벨트 타입 등)처럼 신체에 별도의 장치를 부착할 필요 없이 가정, 직장, 의료 시설에 설치하기 쉬운 카메라로 촬영한 얼굴 영상을 통해 데이터를 얻을 수 있다.In addition, data can be obtained through facial images taken with a camera that is easy to install at home, work, or medical facilities without the need to attach a separate device to the body, such as a respiration measurement sensor (chest belt type, etc.).

또한, 사용자의 호흡수를 추정하여 신체의 건강 상태를 파악할 수 있는 효과가 있다.In addition, it has the effect of being able to determine the health status of the body by estimating the user's breathing rate.

또한, 비접촉 광혈류량(rPPG) 신호를 다양한 생체 신호 추출에 활용할 수 있다.Additionally, non-contact photoplethysmography (rPPG) signals can be used to extract various biological signals.

도 1은 비접촉 광혈류량 신호를 통해 호흡수를 추정하는 장치의 일 예를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 2는 비접촉 광혈류량 신호를 통해 호흡수를 추정하는 방법을 도시하기 위한 예시적인 도면이다.
도 3a는 시간 윈도우를 조절한 비접촉 광혈류량 신호와 필터를 적용한 비접촉 광혈류량 신호이다.
도 3b는 도 3a의 비접촉 광혈류량 신호의 주파수 대역 별 파워 분포도이다.
도 4a는 4개의 영역에서 추출한 비접촉 광혈류량 신호를 주성분 분석법을 통해 나눈 도면이다.
도 4b는 제1 주성분에 대한 비접촉 광혈류량 신호와 주파수 대역 별 파워 분포도이다.
도 4c는 제2 주성분에 대한 비접촉 광혈류량 신호와 주파수 대역 별 파워 분포도이다.
도 5a는 소정의 시간 동안 측정한 비접촉 광혈류량 신호와 주파수 대역 별 파워 분포도이다.
도 5b는 접촉식 호흡 측정 장비를 통해 측정한 호흡 신호와 주파수 대역 별 파워 분포도이다.
1 is an exemplary diagram illustrating an example of a device for estimating respiratory rate through a non-contact photoplethysmographic signal.
Figure 2 is an exemplary diagram illustrating a method of estimating a respiratory rate through a non-contact photoplethysmographic signal.
Figure 3a shows a non-contact photoplethysmographic signal with an adjusted time window and a non-contact photoplethysmographic signal with a filter applied.
FIG. 3B is a power distribution diagram for each frequency band of the non-contact photoplethysmography signal of FIG. 3A.
Figure 4a is a diagram showing non-contact photoplethysmographic signals extracted from four regions divided using principal component analysis.
Figure 4b is a non-contact photoplethysmographic signal for the first main component and a power distribution diagram for each frequency band.
Figure 4c is a non-contact photoplethysmographic signal for the second main component and a power distribution diagram for each frequency band.
Figure 5a is a non-contact photoplethysmographic signal measured for a predetermined time and a power distribution chart for each frequency band.
Figure 5b is a respiration signal measured using a contact respiration measurement device and a power distribution chart for each frequency band.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시 예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments presented below, but may be implemented in various different forms, and should be understood to include all conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. . The embodiments presented below are provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 명세서에서 다양한 곳에 등장하는 "일부 실시예에서" 또는 "일 실시예에서" 등의 어구는 반드시 모두 동일한 실시예를 가리키는 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Phrases such as “in some embodiments” or “in one embodiment” that appear in various places in this specification do not necessarily all refer to the same embodiment. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 연결 선 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것일 뿐이다. 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가된 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들에 의해 구성 요소들 간의 연결이 나타내어질 수 있다.Additionally, connection lines or connection members between components shown in the drawings merely exemplify functional connections and/or physical or circuit connections. In an actual device, connections between components may be represented by various replaceable or additional functional connections, physical connections, or circuit connections.

본 실시예들은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 일부 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 실시예들을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 실시예들의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어들은 단지 실시예들의 설명을 위해 사용된 것으로, 본 실시예들을 한정하려는 의도가 아니다.Since these embodiments can be subject to various changes and have various forms, some embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present embodiments to a specific disclosure form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present embodiments. The terms used in this specification are merely used to describe the embodiments and are not intended to limit the embodiments.

본 실시예들에 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 실시예들에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Unless otherwise defined, the terms used in the present embodiments have the same meaning as generally understood by those skilled in the art to which the present embodiments belong. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having meanings consistent with the meanings they have in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present embodiments, they should not be used in an ideal or excessively formal sense. It should not be interpreted.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다.The detailed description of the present invention described below refers to the accompanying drawings, which show by way of example specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different from one another but are not necessarily mutually exclusive. For example, specific shapes, structures and characteristics described herein may be implemented with changes from one embodiment to another without departing from the spirit and scope of the invention. Additionally, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description described below is not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention should be taken to encompass the scope claimed by the claims and all equivalents thereof. Like reference numbers in the drawings indicate identical or similar elements throughout various aspects.

이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 여러 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings in order to enable those skilled in the art to easily practice the present invention.

도 1은 비접촉 광혈류량 신호를 통해 호흡수를 추정하는 장치의 일 예를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.1 is an exemplary diagram illustrating an example of a device for estimating respiratory rate through a non-contact photoplethysmographic signal.

도 1을 참조하면, 비접촉 광혈류량 신호를 통해 호흡수를 추정하는 장치(100)(이하, '장치'라 함)은 메모리(110)와 프로세서(120)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a device 100 (hereinafter referred to as “device”) that estimates respiratory rate through a non-contact photoplethysmographic signal may include a memory 110 and a processor 120.

도 1에 도시된 장치(100)는 본 실시예들과 관련된 구성요소들만이 도시되어 있어, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 요소들이 더 포함될 수 있음은 당해 기술분야의 기술자에게 자명하다.The device 100 shown in FIG. 1 shows only components related to the present embodiments, and it is obvious to those skilled in the art that other general-purpose elements may be included in addition to the components shown in FIG. 1. do.

따라서, 장치(100)는 노트북(notebook) PC, 데스크탑(desktop) PC, 랩탑(laptop), 태블릿 컴퓨터(tablet computer), 스마트 폰(Smart Phone)을 포함한 모바일 디바이스(Mobile Device), 서버 디바이스(Server Device), 임베디드 디바이스(Embedded Device) 등의 다양한 종류의 디바이스들로 구현될 수 있다. 구체적인 예로서 인공지능을 이용한 음성 인식, 영상 인식, 영상 분류 등을 수행하는 스마트폰, 태블릿 디바이스, AR(Augmented Reality) 디바이스, IoT(Internet of Things) 디바이스, 자율주행 자동차, 로보틱스, 의료기기 등에 해당될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 나아가서, 장치(100)는 위와 같은 디바이스에 탑재되는 전용 하드웨어 가속기(HW accelerator)에 해당될 수 있고, 장치(100)는 인공지능 구동을 위한 전용 모듈인 NPU(neural processing unit), TPU(Tensor Processing Unit), Neural Engine 등과 같은 하드웨어 가속기일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Accordingly, the device 100 is a mobile device including a laptop PC, desktop PC, laptop, tablet computer, and smart phone, and a server device. It can be implemented with various types of devices such as devices and embedded devices. Specific examples include smartphones, tablet devices, AR (Augmented Reality) devices, IoT (Internet of Things) devices, self-driving cars, robotics, medical devices, etc. that perform voice recognition, image recognition, and image classification using artificial intelligence. It may be, but is not limited to this. Furthermore, the device 100 may correspond to a dedicated hardware accelerator (HW accelerator) mounted on the above device, and the device 100 may include a neural processing unit (NPU) and a tensor processing unit (TPU), which are dedicated modules for driving artificial intelligence. It may be a hardware accelerator such as Unit), Neural Engine, etc., but is not limited thereto.

또한 장치(100)는 사용자 인터페이스를 더 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스는, 장치(100)를 제어하기 위한 데이터를 입력하는 수단을 의미할 수 있다. 예를 들어, 사용자 인터페이스에는 키 패드(key pad), 돔 스위치 (dome switch), 터치 패드(접촉식 정전 용량 방식, 압력식 저항막 방식, 적외선 감지 방식, 표면 초음파 전도 방식, 적분식 장력 측정 방식, 피에조 효과 방식 등), 조그 휠, 조그 스위치 등이 있을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Additionally, device 100 may further include a user interface. The user interface may refer to a means for inputting data to control the device 100. For example, the user interface includes a key pad, dome switch, and touch pad (contact capacitive type, pressure resistive type, infrared detection type, surface ultrasonic conduction type, and integral tension measurement type). , piezo effect method, etc.), jog wheels, jog switches, etc., but are not limited to these.

메모리(110)는 장치(100)내에서 처리되는 각종 데이터들을 저장하는 하드웨어로서, 컴퓨터로 판독이 가능한 기록매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(110)는 장치(100)에서 처리된 데이터들 및 처리될 데이터들을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(110)는 장치(100)에 의해 구동될 애플리케이션(application)들, 드라이버(driver)들 등을 저장할 수 있다. 메모리(110)는 휘발성 메모리(volatile memory) 또는 비휘발성 메모리(nonvolatile memory) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 휘발성 메모리는 DRAM(dynamic random access memory), SRAM(static random access memory), SDRAM(synchronous dynamic random access memory), PRAM(phase-change random access memory), MRAM(magnetic random access memory), RRAM(resistive random access memory), FeRAM(ferroelectric random access memory)등을 포함할 수 있다. 비휘발성 메모리는 ROM(read-only memory), PROM(programmable read-only memory), EPROM(electrically programmable read-only memory), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory)등을 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 메모리(110)는 자기 메모리, CD-ROM, 블루레이 또는 다른 광학 디스크 스토리지, HDD(hard disk drive), SSD(solid state drive), CF(compact flash), SD(secure digital), Micro-SD(micro secure digital), Mini-SD(mini secure digital), xD(extreme digital), 또는 Memory Stick을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 메모리(110)는 운영체제(Operating System)와 적어도 하나의 프로그램 코드(도 2 내지 도 5b을 참조하여 동작하는 프로세서(120)가 수행하기 위한 코드)가 저장될 수 있다.The memory 110 is hardware that stores various data processed within the device 100, and may include a computer-readable recording medium. For example, memory 110 may store data processed and data to be processed in device 100. Additionally, the memory 110 may store applications, drivers, etc. to be run by the device 100. The memory 110 may include at least one of volatile memory or nonvolatile memory. Volatile memory includes dynamic random access memory (DRAM), static random access memory (SRAM), synchronous dynamic random access memory (SDRAM), phase-change random access memory (PRAM), magnetic random access memory (MRAM), and resistive random access memory (RRAM). access memory), FeRAM (ferroelectric random access memory), etc. Non-volatile memory may include read-only memory (ROM), programmable read-only memory (PROM), electrically programmable read-only memory (EPROM), and electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM). In embodiments, memory 110 may include magnetic memory, CD-ROM, Blu-ray or other optical disk storage, hard disk drive (HDD), solid state drive (SSD), compact flash (CF), or secure digital (SD). , Micro-SD (micro secure digital), Mini-SD (mini secure digital), xD (extreme digital), or Memory Stick. Additionally, the memory 110 may store an operating system and at least one program code (code to be executed by the processor 120 operating with reference to FIGS. 2 to 5B).

프로세서(120)는 도 2 내지 도 5b를 참조하여, 비접촉 광혈류량 신호를 통해 호흡수를 추정하는 장치(100)를 실행하기 위한 전반적인 기능을 제어하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어 프로세서(110)는 장치(100)내의 메모리(110)에 저장된 소프트웨어(예: 프로그램)를 실행함으로써, 프로세서(120)에 연결된 전자 장치의 적어도 하나의 다른 구성요소(예: 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소)를 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행하여 장치(100)를 전반적으로 제어할 수 있다.Referring to FIGS. 2 to 5B , the processor 120 may serve to control overall functions for executing the device 100 for estimating the respiratory rate through a non-contact photoplethysmographic signal. For example, the processor 110 executes software (e.g., a program) stored in the memory 110 in the device 100, thereby executing at least one other component (e.g., hardware or software) of the electronic device connected to the processor 120. components) can be controlled, and the device 100 can be generally controlled by performing various data processing or operations.

예를 들어 프로세서(120)는 피부 영상에서 휘도 성분을 추출할 수 있다. 보다 구체적으로, 프로세서(120)는 RGB 카메라 또는 적외선 카메라로 촬영한 피부 영상에서 휘도 성분을 추출할 수 있다. 또한, 프로세서(120)는 피부 영상을 YCbCr 채널 또는 YCgCo 채널로 변환하여 휘도 성분을 추출할 수 있다. 또한, 프로세서(120)는 분당 심박수를 고려하여 피부 영상의 길이를 조절할 수 있고, 길이가 조정된 피부 영상에서 휘도 성분을 추출할 수 있다.For example, the processor 120 may extract a luminance component from a skin image. More specifically, the processor 120 may extract a luminance component from a skin image captured with an RGB camera or an infrared camera. Additionally, the processor 120 may extract the luminance component by converting the skin image into a YCbCr channel or a YCgCo channel. Additionally, the processor 120 can adjust the length of the skin image by considering the heart rate per minute and extract the luminance component from the length-adjusted skin image.

예를 들어 프로세서(120)는 휘도 성분에서 노이즈를 제거할 수 있다. 보다 구체적으로, 프로세서(120)는 휘도 성분에 주성분 분석법을 적용하여 움직임에 의한 노이즈를 제거할 수 있다.For example, the processor 120 may remove noise from the luminance component. More specifically, the processor 120 can remove noise caused by movement by applying a principal component analysis method to the luminance component.

예를 들어 프로세서(120)는 노이즈가 제거된 휘도 성분에 필터를 적용하여 제1 데이터를 획득할 수 있다. 보다 구체적으로, 노이즈가 제거된 휘도 성분에 BPF(Bandpass filtering)를 적용하여 분당 호흡수를 고려한 주파수 범위의 상기 제1 데이터를 획득할 수 있다.For example, the processor 120 may obtain first data by applying a filter to the luminance component from which noise has been removed. More specifically, the first data in a frequency range considering the breathing rate per minute can be obtained by applying BPF (Bandpass filtering) to the luminance component from which noise has been removed.

예를 들어 프로세서(120)는 상기 제1 데이터를 제1 주파수로 변환하고 상기 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정할 수 있다. 보다 구체적으로, 프로세서(120)는 제1 데이터에 FFT(Fast Fourier Transform)를 적용하여 주파수로 변환할 수 있다. 또한, 프로세서(120)는 피부 영상에서 색상 성분을 통해 추출한 제2 데이터로 호흡수를 보정할 수 있다. 보다 구체적으로, 프로세서(120)는 제2 데이터를 제2 주파수로 변환하고 제2 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수가 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수와 일치하는 경우 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정하고, 일치하지 않을 경우 제2 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정할 수 있다.For example, the processor 120 may convert the first data into a first frequency and estimate the breathing rate using the frequency with the highest power among the first frequencies. More specifically, the processor 120 may apply a Fast Fourier Transform (FFT) to the first data and convert it into frequency. Additionally, the processor 120 may correct the respiratory rate using second data extracted through color components from the skin image. More specifically, the processor 120 converts the second data to the second frequency, and when the frequency of the highest power among the second frequencies matches the frequency of the highest power among the first frequencies, the processor 120 converts the second data to the second frequency. The breathing rate can be estimated using the frequency, and if they do not match, the breathing rate can be estimated using the frequency with the highest power among the second frequencies.

일 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 장치(100) 내에 구비된 중앙 처리 장치(central processing unit; CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit; GPU), 어플리케이션 프로세서(application processor; AP), 신경망 처리 장치(neural processing unit; NPU), 이미지 시그널 프로세서(image signal processor; ISP), 센서 허브 프로세서(sensor hub processor) 또는 커뮤니케이션 프로세서(communication processor; CP) 등으로 구현될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.According to one embodiment, the processor 120 includes a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), an application processor (AP), and a neural network provided in the device 100. It may be implemented as a neural processing unit (NPU), an image signal processor (ISP), a sensor hub processor, or a communication processor (CP), but is not limited thereto.

도 2는 비접촉 광혈류량 신호를 통해 호흡수를 추정하는 방법을 도시하기 위한 예시적인 도면이다.Figure 2 is an exemplary diagram illustrating a method of estimating a respiratory rate through a non-contact photoplethysmographic signal.

도 2를 참조하면, 단계 200에서, 프로세서(120)는 피부 영상에서 휘도 성분을 추출할 수 있다.Referring to FIG. 2, in step 200, the processor 120 may extract a luminance component from a skin image.

피부 영상은 RGB 카메라, 적외선 카메라, 줌 카메라 등을 이용하여 촬영된 사용자의 피부가 포함된 영상일 수 있다. 이때, 사용자의 피부가 포함된 영상은 일정 시간 간격의 연속된 사진을 포함할 수 있다.The skin image may be an image containing the user's skin captured using an RGB camera, an infrared camera, a zoom camera, etc. At this time, the image containing the user's skin may include consecutive photos at regular time intervals.

프로세서(120)는 피부 영상을 다른 색상 채널로 변환할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(120)는 피부 영상의 색상 채널을 YCbCr, YCgCo 등과 같은 다양한 색상 채널로 변환할 수 있다. 이때, 휘도는 빛의 밝기로, 휘도 값은 YCbCr 채널 또는 YCgCo 채널에서의 Y 값이 될 수 있다. 들숨 또는 날숨 등 호흡으로 인한 상반신의 Motion Artifact를 통해 휘도 성분이 변화한다. 이는 동맥 혈관으로 흐르는 단위시간 당 혈류량 변화를 측정하기 위해 피부색이 미세하게 변하는 것을 통해 맥박을 추정하는 것과는 상이하다. 맥박수를 측정할 때 휘도 성분은 얼굴의 움직임, 조명의 변화, 피부의 밝기 등 제거해야 할 노이즈 성분이다. 그러나, 호흡수를 추정할 때는 혈류량에 의한 색상 변화보다 호흡할 때 몸의 움직임에 의한 밝기 변화를 확인해야 하므로 휘도 성분을 통해 호흡수를 추정한다. 또한, 호흡수를 추정하기 위해 피부 영상에서 색상 성분이 아닌 휘도 성분을 추출하면, 빛의 변화에 따른 노이즈와 입력 신호 자체의 모호성에 대한 문제를 해결할 수 있다.The processor 120 may convert the skin image into another color channel. For example, the processor 120 may convert the color channel of the skin image into various color channels such as YCbCr, YCgCo, etc. At this time, luminance is the brightness of light, and the luminance value can be the Y value in the YCbCr channel or YCgCo channel. The luminance component changes through motion artifacts of the upper body caused by breathing, such as inhalation or exhalation. This is different from estimating the pulse through slight changes in skin color to measure changes in blood flow per unit time flowing through arterial blood vessels. When measuring pulse rate, the luminance component is a noise component that needs to be removed, such as facial movement, changes in lighting, and skin brightness. However, when estimating the respiration rate, the change in brightness due to body movement during breathing must be checked rather than the change in color due to blood flow, so the respiration rate is estimated through the luminance component. Additionally, by extracting the luminance component rather than the color component from the skin image to estimate the breathing rate, problems with noise caused by changes in light and ambiguity of the input signal itself can be solved.

또한, 프로세서(120)는 호흡수 추정에 필요한 피부 영상의 길이를 최소한으로 조정할 수 있다. 보다 구체적으로, 프로세서(120)는 분당 심박수를 고려하여 피부 영상의 길이를 조정할 수 있다. 프로세서(120)는 심박수를 통해 계산한 예상 호흡수로 호흡 1주기 측정 시간을 산출할 수 있다. 또한, 프로세서(120)는 호흡 1주기 측정 시간과 가장 높은 파워의 주파수가 반영될 때 들어오는 호흡 주기를 통해 호흡수 추정에 필요한 영상의 최소 길이를 결정할 수 있다.Additionally, the processor 120 may adjust the length of the skin image required for respiration rate estimation to the minimum. More specifically, the processor 120 may adjust the length of the skin image by considering the heart rate per minute. The processor 120 may calculate the measurement time for one breathing cycle using the expected respiratory rate calculated through heart rate. Additionally, the processor 120 may determine the minimum length of the image required for respiration rate estimation through the measurement time of one respiration cycle and the incoming respiration cycle when the frequency of the highest power is reflected.

단계 200에 대한 구체적인 설명은 도 3a 내지 도 3b를 참조하여 후술한다.A detailed description of step 200 will be described later with reference to FIGS. 3A and 3B.

단계 201에서, 프로세서(120)는 휘도 성분에서 노이즈를 제거할 수 있다.In step 201, the processor 120 may remove noise from the luminance component.

프로세서(120)는 휘도 성분의 클러스터 중심에서 각 프레임의 피부 픽셀을 평균값을 산출할 수 있다. 프로세서(120)는 피부 픽셀을 평균화하는 방식을 통해 피부색을 확대하여 노이즈를 줄일 수 있다.The processor 120 may calculate the average value of the skin pixels of each frame at the cluster center of the luminance component. The processor 120 can reduce noise by enlarging skin color by averaging skin pixels.

또한, 프로세서(120)는 휘도 성분에 주성분 분석법을 적용하여 움직임에 의한 노이즈를 제거할 수 있다. 보다 구체적으로, 프로세서(120)은 주성분 분석법을 통해 휘도 성분을 제1 주성분과 제2 주성분으로 재구성할 수 있다.Additionally, the processor 120 may apply principal component analysis to the luminance component to remove noise caused by movement. More specifically, the processor 120 may reconstruct the luminance component into a first principal component and a second principal component through principal component analysis.

주성분 분석법은 principal component analysis(PCA)로, 다차원의 데이터를 저차원의 데이터로 변환하여 압축하는 기법이다. 주성분은 대부분의 데이터 분산을 포착하는 직선으로, 방향과 크기를 포함하는 벡터를 의미할 수 있다. 제1 주성분(PC1)은 데이터의 최대 분산을 설명하는 주요 주성분으로, 호흡에 의한 몸의 움직임에 대한 비접촉 광혈류량 신호를 의미할 수 있다. 제2 주성분(PC2)는 제1 주성분(PC1)에 수직이면서 분산이 가장 큰 방향의 벡터일 수 있고, 호흡에 의한 움직임을 제외한 몸의 움직임에 대한 비접촉 광혈류량 신호를 의미할 수 있다.Principal component analysis (PCA) is a technique that converts multidimensional data into low-dimensional data and compresses it. The principal component is a straight line that captures most of the data distribution, and can refer to a vector containing direction and magnitude. The first principal component (PC1) is a main principal component that explains the maximum variance of the data, and may mean a non-contact photoplethysmographic signal for body movement due to breathing. The second principal component (PC2) may be a vector in a direction that is perpendicular to the first principal component (PC1) and has the greatest variance, and may represent a non-contact photoplethysmographic signal for body movement excluding movement due to breathing.

단계 201에 대한 자세한 설명은 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 후술한다.A detailed description of step 201 will be described later with reference to FIGS. 4A to 4C.

단계 202에서, 프로세서(120)는 노이즈가 제거된 휘도 성분에 필터를 적용하여 제1 데이터를 획득할 수 있다. 즉, 프로세서(120)는 제1 주성분에 BPF(Bandpass filtering)을 적용하여 분당 호흡수를 고려한 주파수 범위의 비접촉 광혈류량(remote Photoplethysmogram; rPPG) 신호인 제1 데이터를 획득할 수 있다.In step 202, the processor 120 may obtain first data by applying a filter to the luminance component from which noise has been removed. That is, the processor 120 may apply bandpass filtering (BPF) to the first principal component to obtain first data, which is a remote photoplethysmogram (rPPG) signal in a frequency range considering the respiratory rate per minute.

노이즈가 제거된 휘도 성분은 모든 주파수 대역의 정보를 포함하고 있으므로, 일반 사람의 분당 호흡수를 고려한 주파수 범위의 대역만을 추출하는 과정이 필요하다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 일반 사람의 분당 호흡수를 고려한 주파수 범위를 0.08Hz ~ 0.66Hz(5bpm ~ 40bpm)로 가정하기로 하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.Since the luminance component from which the noise has been removed contains information in all frequency bands, a process of extracting only the frequency band that takes into account the breathing rate per minute of an ordinary person is necessary. Hereinafter, for convenience of explanation, the frequency range considering the breathing rate per minute of an ordinary person is assumed to be 0.08Hz to 0.66Hz (5bpm to 40bpm), but is not limited thereto.

BPF(Bandpass filtering)은 대역 통과 필터로, 원하는 특정 주파수 대역 내의 세력만 감쇠없이 통과시키고, 나머지 주파수 세력은 감쇠하는 필터를 의미할 수 있다.BPF (Bandpass filtering) is a band-pass filter, which may refer to a filter that passes only forces within a specific desired frequency band without attenuation and attenuates the remaining frequency forces.

프로세서(120)는 제1 주성분에 BPF(Bandpass filtering)을 적용하여 분당 호흡수를 고려한 주파수 범위인 0.08Hz ~ 0.66Hz(5bpm ~ 40bpm)범위의 제1 데이터를 획득할 수 있다.The processor 120 may apply BPF (Bandpass filtering) to the first principal component to obtain first data in the range of 0.08 Hz to 0.66 Hz (5 bpm to 40 bpm), which is a frequency range considering the breathing rate per minute.

단계 203에서, 프로세서(120)는 제1 데이터를 제1 주파수로 변환하고 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정할 수 있다.In step 203, the processor 120 may convert the first data into a first frequency and estimate the breathing rate using the frequency with the highest power among the first frequencies.

프로세서(120)는 제1 데이터에 FFT(Fast Fourier Transform)를 적용하여 주파수로 변환할 수 있다.The processor 120 may apply Fast Fourier Transform (FFT) to the first data and convert it into frequency.

FFT(Fast Fourier Transform)은 고속 푸리에 변환으로, 시간 영역에서 주어진 함수를 주파수 영역으로 변환하는 수학적 기법이다. 프로세서(120)는 제1 데이터에 FFT(Fast Fourier Transform)를 적용하여 제1 주파수의 스펙트럼을 시계열로 나열할 수 있다.Fast Fourier Transform (FFT) is a mathematical technique that transforms a given function in the time domain into the frequency domain. The processor 120 may apply a Fast Fourier Transform (FFT) to the first data to list the spectrum of the first frequency as a time series.

프로세서(120)는 FFT가 적용된 주파수 영역 중에서 가장 높은 파워의 주파수 값을 이용하여 호흡수를 추정할 수 있다.The processor 120 may estimate the breathing rate using the frequency value of the highest power among the frequency regions to which the FFT is applied.

또한 프로세서(120)는 피부 영상에서 색상 성분을 통해 추출한 제2 데이터로 단계 203에서 추정한 호흡수를 보정할 수 있다. 보다 구체적으로, 프로세서(120)는 피부 영상을 다른 색상 체계로 변환하여 색상 성분을 추출할 수 있다. 또한, 추출한 색상 성분에 BPF를 적용하여 분당 호흡수를 고려한 주파수 범위의 비접촉 광혈류량(remote Photoplethysmogram; rPPG) 신호인 제2 데이터를 획득할 수 있다. 또한, 제2 데이터에 FFT를 적용하여 제2 주파수로 변환하여 제2 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수 값과 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수 값을 비교할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수 값이 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수와 일치하는 경우 프로세서(120)는 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정할 수 있다. 반면, 제2 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수 값이 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수와 일치하지 않는 경우 프로세서(120)는 제2 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정할 수 있다.Additionally, the processor 120 may correct the breathing rate estimated in step 203 with second data extracted through color components from the skin image. More specifically, the processor 120 may extract color components by converting the skin image into another color system. In addition, by applying BPF to the extracted color component, second data, which is a non-contact photoplethysmogram (rPPG) signal in a frequency range considering the respiratory rate per minute, can be obtained. Additionally, FFT can be applied to the second data to convert it to a second frequency, and the frequency value of the highest power among the second frequencies can be compared with the frequency value of the highest power among the first frequencies. More specifically, when the frequency value of the highest power among the second frequencies matches the frequency of the highest power among the first frequencies, the processor 120 estimates the breathing rate using the frequency of the highest power among the first frequencies. You can. On the other hand, if the frequency value of the highest power among the second frequencies does not match the frequency of the highest power among the first frequencies, the processor 120 may estimate the breathing rate using the frequency of the highest power among the second frequencies. there is.

단계 203에 대한 자세한 설명은 도 5a 내지 도 5b를 참조하여 후술한다.A detailed description of step 203 will be described later with reference to FIGS. 5A and 5B.

도 3a는 시간 윈도우를 조절한 비접촉 광혈류량 신호와 필터를 적용한 비접촉 광혈류량 신호이다.Figure 3a shows a non-contact photoplethysmographic signal with an adjusted time window and a non-contact photoplethysmographic signal with a filter applied.

도 3a를 참조하면, 프로세서(120)는 심박수를 고려하여 호흡수 추정에 필요한 영상의 최소 길이를 결정할 수 있다. 프로세서(120)는 분당 심박수 * R을 통해 예상 호흡수를 계산할 수 있다. 기존의 연구에 의하면, 운동을 하지 않는 상태에는 심박수/호흡률의 값이 약 4인 것이 실험을 통해 확인되었다. 이는 평균 성인의 호흡수 대 심박수 비율이 약 1:4인 것을 의미할 수 있고, 각 호흡마다 심장이 4번 뛴다는 것을 의미할 수 있다. 따라서 R의 값은 1/4=0.25가 될 수 있지만, 이는 상황 또는 실험에 따라 달라질 수 있다.Referring to FIG. 3A, the processor 120 may determine the minimum length of the image required to estimate the breathing rate by considering the heart rate. The processor 120 may calculate the expected respiratory rate through heart rate per minute * R. According to existing research, it was confirmed through experiments that the heart rate/respiratory rate value is about 4 in a state of no exercise. This could mean that the average adult's breathing rate to heart rate ratio is about 1:4, meaning that the heart beats four times for each breath. Therefore, the value of R can be 1/4=0.25, but this may vary depending on the situation or experiment.

심박수를 통해 예상 호흡수를 계산하면 호흡 1주기 측정 시간을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 프로세서(120)는 가장 높은 파워의 주파수가 반영될 때 들어오는 호흡 주기가 n개일 때, 호흡수 추정에 필요한 영상의 최소 시간을 계산할 수 있다. 즉, 영상의 최소 시간은 호흡 1주기 측정 시간 * n이 될 수 있다.If you calculate the expected respiratory rate using your heart rate, you can find the measurement time for one breathing cycle. More specifically, the processor 120 may calculate the minimum video time required for respiration rate estimation when there are n incoming respiration cycles when the frequency of the highest power is reflected. In other words, the minimum video time can be 1 breathing cycle measurement time * n.

프로세서(120)는 피부 영상에서 추출한 비접촉 광혈류량(rPPG) 신호(301)의 시간 윈도우를 호흡수 추정에 필요한 영상의 최소 시간으로 조절할 수 있다. 도면 번호 301의 그래프에 따르면 호흡 주기가 5개이므로, 영상의 최소 시간은 호흡 1주기 측정 시간 * n에 따라 20초가 될 수 있다.The processor 120 may adjust the time window of the non-contact photoplethysmographic (rPPG) signal 301 extracted from the skin image to the minimum time of the image required to estimate respiratory rate. According to the graph in drawing number 301, since there are 5 breathing cycles, the minimum time of the image can be 20 seconds depending on the measurement time of 1 breathing cycle * n.

또한, 프로세서(120)는 시간 윈도우가 조절된 비접촉 광혈류량(rPPG) 신호에 사비츠키-골레이(Savitzky-Golay; SG) 필터를 적용(302)할 수 있다. 사비츠키-골레이(SG) 필터는 다항식 필터 또는 최소제곱 필터로, 데이터의 노이즈를 제거하고 평활화(smooting)하는 필터를 의미할 수 있다. 프로세서(120)는 시간 윈도우가 조절된 비접촉 광혈류량(rPPG) 신호에 사비츠키-골레이(SG) 필터를 적용(302)하여 피크 모양과 높이를 유지하면서 노이즈를 줄일 수 있다.Additionally, the processor 120 may apply a Savitzky-Golay (SG) filter to the non-contact photoplethysmography (rPPG) signal with an adjusted time window (302). The Savitzky-Golay (SG) filter is a polynomial filter or least squares filter, and can refer to a filter that removes noise and smoothes data. The processor 120 can reduce noise while maintaining the peak shape and height by applying a Savitzky-Golay (SG) filter (302) to the non-contact photoplethysmography (rPPG) signal with an adjusted time window.

도 3b는 도 3a의 비접촉 광혈류량 신호의 주파수 대역 별 파워 분포도이다.FIG. 3B is a power distribution diagram for each frequency band of the non-contact photoplethysmography signal of FIG. 3A.

프로세서(120)는 lowpass filtering이 적용된 비접촉 광혈류량(rPPG) 신호(302)에 FFT를 적용하여 주파수로 변환할 수 있다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 프로세서(120)는 20초 길이의 피부 영상에서 추출한 rPPG 신호를 주파수로 변환할 수 있고, 가장 높은 파워의 주파수의 값을 확인할 수 있다. 도 3b에 따르면, 0.25Hz에서 가장 파워가 높으므로 추정되는 호흡수는 15bpm이 될 수 있다.The processor 120 may apply FFT to the non-contact photoplethysmography (rPPG) signal 302 to which lowpass filtering has been applied and convert it into frequency. Referring to FIGS. 3A and 3B, the processor 120 can convert the rPPG signal extracted from a 20-second skin image into a frequency and check the value of the frequency of the highest power. According to Figure 3b, the power is highest at 0.25Hz, so the estimated breathing rate can be 15bpm.

도 4a는 4개의 영역에서 추출한 비접촉 광혈류량 신호를 주성분 분석법을 통해 나눈 도면이다.Figure 4a is a diagram showing non-contact photoplethysmographic signals extracted from four regions divided using principal component analysis.

도 4a를 참조하면, 프로세서(120)는 피부 영상 중 얼굴(401), 오른쪽 뺨(402), 왼쪽 뺨(403), 턱(404) 부분에서 휘도 성분을 추출할 수 있다.Referring to FIG. 4A, the processor 120 may extract luminance components from the face 401, right cheek 402, left cheek 403, and chin 404 portions of the skin image.

도면 번호 410은 얼굴(401), 오른쪽 뺨(402), 왼쪽 뺨(403), 턱(404) 등 4 영역에 대해 1분 동안 추출한 비접촉 광혈류량(rPPG) 신호이다. 프로세서는 비접촉 광혈류량 신호(410)에 PCA 기법을 적용하여 2개의 주성분(411)으로 재구성할 수 있다. 이때, 제1 주성분(PC1)은 호흡에 의한 몸의 움직임에 대한 비접촉 광혈류량 신호를 의미할 수 있고, 제2 주성분(PC2)는 호흡에 의한 움직임을 제외한 몸의 움직임에 대한 비접촉 광혈류량 신호를 의미할 수 있다.Figure number 410 is a non-contact photoplethysmographic (rPPG) signal extracted for 1 minute for 4 areas including the face 401, right cheek 402, left cheek 403, and chin 404. The processor can apply the PCA technique to the non-contact photoplethysmography signal 410 to reconstruct it into two main components 411. At this time, the first principal component (PC1) may refer to a non-contact photoblood flow signal for body movement due to respiration, and the second main component (PC2) may refer to a non-contact photoblood flow signal for body movement excluding movement due to respiration. It can mean.

도 4b는 제1 주성분에 대한 비접촉 광혈류량 신호와 주파수 대역 별 파워 분포도이다.Figure 4b is a non-contact photoplethysmographic signal for the first main component and a power distribution diagram for each frequency band.

도 4b를 참조하면, 프로세서(120)는 도 4a의 도면 번호 411 중 제1 주성분(PC1)에 대한 비접촉 광혈류량(rPPG) 신호를 시계열로 표현(420)할 수 있다. 제1 주성분(PC1)은 호흡에 의한 몸의 움직임에 대한 비접촉 광혈류량 신호로, 호흡으로 인한 움직임이 아닌 몸의 움직임에 대한 노이즈가 제거된 상태일 수 있다. 또한, 프로세서(120)는 제1 주성분(PC1)에 대한 비접촉 광혈류량 시계열 신호(420)에 FFT를 적용하여 주파수로 변환(421)할 수 있다. 도면 번호 421의 주파수 대역 별 파워 분포를 보면 0.2Hz에서 가장 높은 파워를 가지므로, 프로세서(120)는 호흡수를 12bpm으로 추정할 수 있다.Referring to FIG. 4B, the processor 120 may express (420) the non-contact photoplethysmographic (rPPG) signal for the first principal component (PC1) of figure number 411 of FIG. 4A as a time series. The first principal component (PC1) is a non-contact photoblood flow signal for body movement due to respiration, and may be in a state in which noise for body movement other than respiration has been removed. Additionally, the processor 120 may apply FFT to the non-contact photoplethysmographic time series signal 420 for the first principal component (PC1) and convert it to frequency (421). Looking at the power distribution for each frequency band in drawing number 421, the highest power is at 0.2Hz, so the processor 120 can estimate the breathing rate at 12bpm.

도 4c는 제2 주성분에 대한 비접촉 광혈류량 신호와 주파수 대역 별 파워 분포도이다.Figure 4c is a non-contact photoplethysmographic signal for the second main component and a power distribution diagram for each frequency band.

도 4c를 참조하면, 프로세서(120)는 도 4a의 도면 번호 411 중 제2 주성분(PC2)에 대한 비접촉 광혈류량(rPPG) 신호를 시계열로 표현(430)할 수 있다. 제2 주성분(PC2)는 호흡에 의한 움직임을 제외한 몸의 움직임에 대한 비접촉 광혈류량 신호로, 도 4b에서 제거된 몸의 움직임에 대한 비접촉 광혈류량 신호를 의미할 수 있다. 또한, 프로세서(120)는 제2 주성분(PC2)에 대한 비접촉 광혈류량 시계열 신호(430)에 FFT를 적용하여 주파수로 변환(431)할 수 있다.Referring to FIG. 4C, the processor 120 may express (430) the non-contact photoplethysmographic (rPPG) signal for the second principal component (PC2) of figure number 411 of FIG. 4A as a time series. The second principal component (PC2) is a non-contact photoblood flow signal for body movement excluding movement due to breathing, and may refer to the non-contact photoblood flow signal for body movement removed in FIG. 4B. Additionally, the processor 120 may apply FFT to the non-contact photoplethysmographic time series signal 430 for the second principal component (PC2) and convert it to frequency (431).

도 5a는 소정의 시간 동안 측정한 비접촉 광혈류량 신호와 주파수 대역 별 파워 분포도이다.Figure 5a is a non-contact photoplethysmographic signal measured for a predetermined time and a power distribution chart for each frequency band.

도 5a를 참조하면, 프로세서(120)는 피부 영상에서 소정의 시간 동안 비접촉 광혈류량(rPPG) 신호를 추출(510)할 수 있다. 보다 구체적으로, 프로세서(120)는 피부 영상에서 휘도 성분을 추출하고 노이즈를 제거한 비접촉 광혈류량 신호를 획득(510)할 수 있다. 또한, 프로세서(120)는 노이즈를 제거한 비접촉 광혈류량 신호(510)에 FFT를 적용하여 주파수로 변환(520)할 수 있고, 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정할 수 있다. 주파수 대역 별 파워 분포(520)를 보면, 0.15Hz에서 가장 높은 파워를 가지므로, 프로세서(120)는 호흡수를 9bpm으로 추정할 수 있다.Referring to FIG. 5A, the processor 120 may extract (510) a non-contact photoplethysmographic (rPPG) signal for a predetermined time from the skin image. More specifically, the processor 120 may extract the luminance component from the skin image and obtain a non-contact photoplethysmographic signal with noise removed (510). Additionally, the processor 120 can apply FFT to the non-contact photoplethysmographic signal 510 from which noise has been removed and convert it into a frequency (520), and estimate the respiratory rate using the frequency with the highest power. Looking at the power distribution 520 for each frequency band, the highest power is at 0.15 Hz, so the processor 120 can estimate the breathing rate at 9 bpm.

도 5b는 접촉식 호흡 측정 장비를 통해 측정한 호흡 신호와 주파수 대역 별 파워 분포도이다.Figure 5b is a respiration signal measured using a contact respiration measurement device and a power distribution chart for each frequency band.

도 5b를 참조하면, 도면 번호 530은 비접촉 광혈류량(rPPG) 시계열 신호(510)에 사비츠키-골레이(Savitzky-Golay; SG) 필터와 이동평균필터(Moving Average Filter)를 적용하여 노이즈를 제거한 그래프이다.Referring to Figure 5b, drawing number 530 applies a Savitzky-Golay (SG) filter and a moving average filter to the non-contact photoplethysmography (rPPG) time series signal 510 to reduce noise. This is the removed graph.

도면 번호 540은 호흡 측정 센서(흉부 벨트 타입)를 이용하여 측정한 호흡 신호이다. 호흡 측정 센서로 측정한 분당 호흡수는 약 9bpm이다.Drawing number 540 is a respiration signal measured using a respiration measurement sensor (chest belt type). The respiratory rate per minute measured with a respiration sensor is approximately 9 bpm.

도면 번호 520는 피부 영상에서 휘도 성분을 추출하고 노이즈를 제거한 비접촉 광혈류량 신호(510)에 FFT를 적용하여 주파수로 변환한 파워 분포도이다. 0.15Hz에서 가장 높은 파워를 가지므로, 프로세서(120)는 호흡수를 9bpm으로 추정할 수 있다. 호흡 측정 센서를 이용하여 측정한 분당 호흡수와 피부 영상에서 추출한 비접촉 광혈류량 신호로 추정한 분당 호흡수가 같으므로, 휘도 성분을 통해 추정한 호흡수의 정확도가 높음을 알 수 있다.Drawing number 520 is a power distribution diagram obtained by extracting the luminance component from a skin image and converting it to frequency by applying FFT to the non-contact photoplethysmographic signal 510 from which noise has been removed. Since it has the highest power at 0.15Hz, the processor 120 can estimate the breathing rate at 9bpm. Since the respiratory rate per minute measured using a respiration sensor is the same as the respiratory rate per minute estimated using a non-contact photoplethysmographic signal extracted from a skin image, it can be seen that the accuracy of the respiratory rate estimated through the luminance component is high.

전술한 본 명세서의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 명세서의 내용이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present specification described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. You will be able to. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as unitary may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.Unless there is an explicit order or statement to the contrary regarding the steps constituting the method according to the invention, the steps may be performed in any suitable order. The present invention is not necessarily limited by the order of description of the above steps. The use of any examples or illustrative terms (e.g., etc.) in the present invention is merely to describe the present invention in detail, and unless limited by the claims, the scope of the present invention is limited by the examples or illustrative terms. It is not limited. Additionally, those skilled in the art will recognize that various modifications, combinations and changes may be made according to design conditions and factors within the scope of the appended claims or their equivalents.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, and the scope of the patent claims described below as well as all scopes equivalent to or equivalently changed from the scope of the claims are within the scope of the spirit of the present invention. It will be said to belong to

Claims (10)

장치에서 비접촉 광혈류량 신호를 통해 호흡수를 추정하는 방법에 있어서,
피부 영상에서 휘도 성분을 추출하는 단계;
상기 휘도 성분에서 노이즈를 제거하는 단계;
상기 노이즈가 제거된 휘도 성분에 필터를 적용하여 제1 데이터를 획득하는 단계;
상기 제1 데이터를 제1 주파수로 변환하고 상기 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정하는 단계; 및
상기 피부 영상에서 색상 성분을 통해 추출한 제2 데이터로 상기 호흡수를 보정하는 단계;를 포함하고,
상기 보정하는 단계는,
상기 제2 데이터를 제2 주파수로 변환하고 상기 제2 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수가 상기 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수와 일치하는 경우 상기 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정하고, 일치하지 않을 경우 상기 제2 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정하는 단계;
를 포함하는, 비접촉 광혈류량 신호를 통해 호흡수를 추정하는 방법.
In a method of estimating respiratory rate through a non-contact photoplethysmographic signal in a device,
Extracting a luminance component from a skin image;
removing noise from the luminance component;
acquiring first data by applying a filter to the luminance component from which the noise has been removed;
Converting the first data to a first frequency and estimating a respiratory rate using the frequency with the highest power among the first frequencies; and
Comprising: correcting the breathing rate with second data extracted through color components from the skin image,
The correction step is,
If the second data is converted to a second frequency and the frequency of the highest power among the second frequencies matches the frequency of the highest power among the first frequencies, breathing is performed using the frequency of the highest power among the first frequencies. estimating the number, and if they do not match, estimating the breathing rate using the frequency with the highest power among the second frequencies;
A method of estimating respiratory rate through a non-contact photoplethysmographic signal, including.
제1항에 있어서,
상기 추출하는 단계는,
RGB 카메라 또는 적외선 카메라로 촬영한 피부 영상에서 휘도 성분을 추출하는 단계;
를 포함하는, 방법.
According to paragraph 1,
The extracting step is,
Extracting luminance components from skin images captured with an RGB camera or infrared camera;
Method, including.
제1항에 있어서,
상기 추출하는 단계는,
상기 피부 영상을 YCbCr 채널 또는 YCgCo 채널로 변환하여 휘도 성분을 추출하는 단계;
를 포함하는, 방법.
According to paragraph 1,
The extracting step is,
converting the skin image into a YCbCr channel or YCgCo channel to extract a luminance component;
Method, including.
제1항에 있어서,
상기 추출하는 단계는,
분당 심박수를 고려하여 상기 피부 영상의 길이를 조정하는 단계; 및
상기 길이가 조정된 피부 영상에서 휘도 성분을 추출하는 단계;
를 포함하는, 방법.
According to paragraph 1,
The extracting step is,
adjusting the length of the skin image in consideration of heart beats per minute; and
extracting a luminance component from the length-adjusted skin image;
Method, including.
제1항에 있어서,
상기 제거하는 단계는,
상기 휘도 성분에 주성분 분석법을 적용하여 움직임에 의한 노이즈를 제거하는 단계:
를 포함하는, 방법.
According to paragraph 1,
The removing step is,
Step of removing noise caused by movement by applying principal component analysis to the luminance component:
Method, including.
제1항에 있어서,
상기 획득하는 단계는,
상기 노이즈가 제거된 휘도 성분에 BPF(Bandpass filtering)를 적용하여 분당 호흡수를 고려한 주파수 범위의 상기 제1 데이터를 획득하는 단계;
를 포함하는, 방법.
According to paragraph 1,
The obtaining step is,
acquiring the first data in a frequency range considering the breathing rate per minute by applying BPF (Bandpass filtering) to the luminance component from which the noise has been removed;
Method, including.
제1항에 있어서,
상기 추정하는 단계는,
상기 제1 데이터에 FFT(Fast Fourier Transform)를 적용하여 주파수로 변환하는 단계;
를 포함하는, 방법.
According to paragraph 1,
The estimation step is,
converting the first data into frequencies by applying FFT (Fast Fourier Transform) to the first data;
Method, including.
삭제delete 적어도 하나의 메모리; 및
적어도 하나의 프로세서;를 포함하고,
상기 적어도 하나의 프로세서는,
피부 영상에서 휘도 성분을 추출하고,
상기 휘도 성분에서 노이즈를 제거하고,
상기 노이즈가 제거된 휘도 성분에 필터를 적용하여 제1 데이터를 획득하고,
상기 제1 데이터를 제1 주파수로 변환하고 상기 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정하고,
상기 피부 영상에서 색상 성분을 통해 추출한 제2 데이터로 상기 호흡수를 보정하고,
상기 적어도 하나의 프로세서는,
상기 제2 데이터를 제2 주파수로 변환하고 상기 제2 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수가 상기 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수와 일치하는 경우 상기 제1 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정하고, 일치하지 않을 경우 상기 제2 주파수 중에서 가장 높은 파워의 주파수를 이용하여 호흡수를 추정하는, 비접촉 광혈류량을 통해 호흡수를 추정하는 장치.
at least one memory; and
At least one processor;
The at least one processor,
Extract the luminance component from the skin image,
Remove noise from the luminance component,
Obtaining first data by applying a filter to the luminance component from which the noise has been removed,
Converting the first data to a first frequency and estimating the respiratory rate using the frequency with the highest power among the first frequencies,
Correcting the respiratory rate with second data extracted through color components from the skin image,
The at least one processor,
If the second data is converted to a second frequency and the frequency of the highest power among the second frequencies matches the frequency of the highest power among the first frequencies, breathing is performed using the frequency of the highest power among the first frequencies. A device for estimating the respiratory rate through non-contact photoplethysmography, which estimates the number and, if they do not match, estimates the respiratory rate using the frequency with the highest power among the second frequencies.
제1항에 따른 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
A computer-readable recording medium recording a program for executing the method according to claim 1 on a computer.
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