KR20100065084A - Apparatus for measuring motion noise robust pulse wave and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명에 따른 움직임 잡음에 강인한 맥파 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 가속도 센서를 이용한 움직임 성분을 추정하여 적응신호처리기법을 통해 손목 윗 등 부위에서 움직임 잡음에 강인한 맥파를 측정하도록 하는 장치 및 방법에 관한 것입니다.The present invention relates to a pulse wave measuring apparatus that is robust to motion noise, and a method thereof, comprising: an apparatus and method for estimating a motion component using an acceleration sensor and measuring the pulse wave robust to motion noise in a region such as the upper part of a wrist through an adaptive signal processing technique Is about.
본 발명은 지식 경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-039-01, 과제명: 인간-로봇 상호작용 매개 기술 개발].The present invention is derived from a study conducted as part of the IT source technology development project of the Ministry of Knowledge Economy [Task Management Number: 2008-F-039-01, Task name: Development of human-robot interaction mediated technology].
맥파 측정 기술은 생체신호처리기술의 분야에서 연구되어온 중요한 분야로써 일반적으로 잡음 속에 묻혀있는 미약한 맥파 생체신호를 추출하기 위해 사용되는 기술이다.Pulse wave measurement technology is an important field that has been studied in the field of bio signal processing technology and is a technique used to extract weak pulse wave bio signals buried in noise.
맥파 측정 기술은 크게 침습형과 비침습형이 있는데 침습형은 인체내부에서 직접 측정하는 방법이고 비침습형은 인체 외부에서 간접적으로 인체내부의 생체신호를 측정하는 방법으로 건강지표 추출에서는 비침습형이 대부분이다. Pulse wave measurement technology is largely invasive type and non-invasive type. Invasive type is a method of directly measuring inside the human body. Non-invasive type is a method of measuring biological signals inside the human body indirectly from outside the human body. This is mostly.
비침습형은 크게 압전소자와 광학센서를 이용하여 측정되며, 광학센서를 이용하여 측정하는 방법의 경우 광학센서인 근적외선(Infra-red) LED가 방출하는 근적외선을 이용하여 흡수율의 변화량으로 맥파를 측정한다. The non-invasive type is largely measured using a piezoelectric element and an optical sensor. In the case of the method using the optical sensor, pulse wave is measured by the change of absorption rate using the near infrared emitted by the optical sensor, Infra-red LED. do.
광학센서를 이용하여 측정하는 원리는 빛이 어떤 매질에 대한 흡수율을 구하는 Beer-Lambert법칙이 인체조직에 적용되었을 경우의 수정된 원리를 이용하여 심장박동의 수축/이완 작용으로 요골동맥이나 손가락동맥의 혈관내부에 흐르는 혈액의 용적변화율이 근적외선의 흡수율의 변화량으로 나타나고, 이를 수신부인 근적외선 Photo Detector가 혈관을 투과했거나 반사된 근적외선을 획득하는 원리이다.The principle of measuring by using optical sensor is the contraction / relaxation of the heart rhythm by applying the modified principle when Beer-Lambert's law, which calculates the absorption rate of light to a medium, is applied to human tissue. The volume change rate of the blood flowing inside the blood vessel is represented as the change in the absorption rate of the near infrared rays, and this is the principle that the near-infrared photo detector as a receiver acquires the near infrared rays that have penetrated or reflected the blood vessels.
유비쿼터스 환경 기반인 u-헬스케어 분야에서 맥파를 측정함에 있어서, 사용자의 정확한 생체 신호 정보를 획득하는 것이 가장 중요하다. 하지만, 휴대형 환경에서 맥파를 측정하기 위해서는 측정되는 부위와 특성에 따라 다양한 문제점이 존재한다.In measuring the pulse wave in the u-healthcare field based on the ubiquitous environment, it is most important to obtain accurate biosignal information of the user. However, to measure the pulse wave in a portable environment, there are various problems depending on the area and the characteristic to be measured.
휴대형 환경을 위해서는 신체 측정 부위에 착용 가능해야 하는데, 병원의 환자와 같이 안정된 상태가 아닌 휴대형 환경에서는 측정부위의 움직임으로 인한 맥파 신호의 왜곡이 발생해 건강지표 자료로 활용할 수가 없다.For the portable environment, it should be worn on the body measuring part. In the portable environment, such as a patient in a hospital, the pulse wave signal is distorted due to the movement of the measuring part, and thus it cannot be used as a health indicator data.
최근에는, 이러한 움직임 잡음을 해결하기 위하여 기존 의료용 장비에서도 적응신호처리, 웨이브렛신호처리 그리고 형태학적 신호처리등의 기법을 도입하여 움직임 잡음을 최소화하는 연구가 진행 중이다.Recently, in order to solve such motion noise, researches for minimizing the motion noise by adopting techniques such as adaptive signal processing, wavelet signal processing, and morphological signal processing have also been conducted in existing medical equipment.
상기한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 모바일 환경에서 사용자에게 불편함을 주지 않도록, 맥파 측정이 어려운 손목 윗 등 부위에서 맥파 측정이 가능하도록 하는 움직임 잡음에 강인한 맥파 측정 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a pulse wave measuring apparatus and method that is robust to the movement noise to enable the pulse wave measurement in the upper part of the wrist, such as difficult to measure the pulse wave so as not to inconvenience the user in a mobile environment. In providing.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 비교적 최소한의 오류로 원 신호를 복원해 냄으로써 손목 움직임에 따른 움직임 잡음에 강인하도록 하는 움직임 잡음에 강인한 맥파 측정 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a pulse wave measuring apparatus and a method which is robust to the motion noise to be robust to the motion noise due to wrist movement by restoring the original signal with a relatively minimal error.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 움직임 잡음에 강인한 맥파 측정 장치는, 피검자의 손목 윗등 부위에 배치되어, 상기 손목 윗등으로 방출된 신호로부터 맥파신호를 검출하는 PPG 센서부, 상기 PPG 센서부가 장착된 부위에서 상기 피검자의 움직임을 검출하는 가속도 센서부, 및 상기 가속도 센서부에 의해 검출된 가속도 신호로부터 상기 피검자의 움직임을 예측하여, 검출된 상기 피검자의 움직임에 대응하는 움직임 잡음 모델을 추정하고, 상기 움직임 잡음 모델로부터 상기 맥파신호에 대한 움직임 잡음을 제거하는 신호 전처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The pulse wave measuring apparatus robust to the movement noise according to the present invention for achieving the above object is disposed in the upper part of the wrist of the subject, the PPG sensor unit for detecting the pulse wave signal from the signal emitted to the upper lamp, the PPG sensor unit An acceleration sensor unit that detects the movement of the subject at the mounted site, and the movement of the subject is predicted from the acceleration signal detected by the acceleration sensor unit to estimate a motion noise model corresponding to the detected movement of the subject; And a signal preprocessor which removes the motion noise of the pulse wave signal from the motion noise model.
상기 신호 전처리부는, 상기 맥파신호 및 가속도 신호를 일정 단위로 샘플링하는 신호 획득부, 및 고역통과필터를 이용하여 상기 신호 획득부에서 샘플링된 맥파신호의 잡음을 제거하는 잡음 제거부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The signal preprocessor may include a signal acquirer configured to sample the pulse wave signal and the acceleration signal by a predetermined unit, and a noise remover to remove noise of the pulse wave signal sampled by the signal acquirer using a high pass filter. do.
상기 움직임 잡음 모델은 고유의 움직임 잡음 모델이고, 상기 신호 전처리부는 상기 고유의 움직임 잡음 모델에 근거하여 상관도가 높은 움직임 잡음을 획득하는 것을 특징으로 한다.The motion noise model is a unique motion noise model, and the signal preprocessor obtains a highly correlated motion noise based on the unique motion noise model.
상기 신호 전처리부는, 자동회귀(AR) 모델 추정기를 이용하여 상기 고유의 움직임 잡음 모델을 추정하는 것을 특징으로 한다.The signal preprocessor estimates the inherent motion noise model using an autoregressive (AR) model estimator.
상기 신호 전처리부는, 상기 고유의 움직임 잡음 모델과 상기 가속도 센서부에 의해 검출된 가속도 신호를 필터링하여, 상기 피검자의 고유의 움직임 잡음과 상관도가 높은 움직임 잡음 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.The signal preprocessor may filter the acceleration signal detected by the inherent motion noise model and the acceleration sensor unit and output a motion noise signal having a high correlation with the inherent motion noise of the examinee.
상기 신호 전처리부는, 유한임펄스응답(FIR) 필터를 이용하는 것을 특징으로 한다.The signal preprocessor is characterized by using a finite impulse response (FIR) filter.
상기 신호 전처리부는, 상기 피검자의 고유의 움직임 잡음과 상관도가 높은 움직임 잡음 신호를 이용하여 상기 맥파신호의 움직임 잡음을 제거하는 것을 특징으로 한다.The signal preprocessor may remove the motion noise of the pulse wave signal using a motion noise signal having a high correlation with the motion noise of the examinee.
상기 움직임 잡음이 제거된 맥파신호를 외부의 호스트 서버로 전송하는 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include a communication unit configured to transmit the pulse wave signal from which the motion noise is removed to an external host server.
상기 PPG 센서는, 상기 피검자의 손목 윗등 부위로 광 신호를 출력하는 발광부, 및 상기 발광부에 의해 방출된 광 신호를 수신하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The PPG sensor is characterized in that it comprises a light emitting unit for outputting an optical signal to the upper part of the wrist of the subject, and a light receiving unit for receiving the optical signal emitted by the light emitting unit.
상기 가속도 센서부는, 3축 가속도 센서를 포함하며, 상기 3축 가속도 센서를 이용하여 상기 피검자의 움직임에 따른 각 축의 가속도 성분을 검출하는 것을 특징으로 한다.The acceleration sensor unit includes a three-axis acceleration sensor, characterized in that for detecting the acceleration component of each axis according to the movement of the subject using the three-axis acceleration sensor.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 움직임 잡음에 강인한 맥파 측정 방법은, 피검자의 손목 윗등 부위에 배치된 PPG 센서로부터 맥파신호를 검출하는 단계, 가속도 센서를 이용하여 상기 PPG 센서가 장착된 부위에서 상기 피검자의 움직임을 검출하는 단계, 상기 피검자의 움직임 정보와, 상기 가속도 센서로부터 검출된 가속도 신호에 근거하여 상기 피검자의 움직임에 대응하는 움직임 잡음 모델을 추정하는 단계, 및 상기 움직임 잡음 모델로부터 상기 맥파신호에 대한 움직임 잡음을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the pulse wave measurement method robust to the motion noise according to the present invention for achieving the above object, detecting the pulse wave signal from the PPG sensor disposed on the upper back portion of the subject, the PPG sensor is mounted using an acceleration sensor Estimating a motion noise model corresponding to the movement of the examinee based on the movement information of the examinee and the acceleration signal detected from the acceleration sensor, and the movement noise model And removing the motion noise for the pulse wave signal.
추정된 상기 움직임 잡음 모델과 상기 가속도 센서에 의해 검출된 가속도 신호에 근거하여, 상기 피검자의 고유의 움직임 잡음과 상관도가 높은 움직임 잡음을 획득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And based on the estimated motion noise model and the acceleration signal detected by the acceleration sensor, acquiring a motion noise having a high correlation with the inherent motion noise of the examinee.
상기 움직임 잡음을 제거하는 단계는, 상기 피검자의 고유의 움직임 잡음과 상관도가 높은 움직임 잡음 신호를 이용하여 상기 맥파신호의 움직임 잡음을 제거하는 것을 특징으로 한다.The removing of the motion noise may include removing the motion noise of the pulse wave signal using a motion noise signal having a high correlation with the inherent motion noise of the examinee.
상기 움직임 잡음을 제거하는 단계는, 적응필터를 이용하여 상기 맥파신호의 움직임 잡음을 반복적으로 제거하는 것을 특징으로 한다.The removing of the motion noise may include repeatedly removing the motion noise of the pulse wave signal using an adaptive filter.
상기 움직임 잡음이 제거된 맥파신호를 외부의 호스트 서버로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The method may further include transmitting the pulse wave signal from which the motion noise is removed to an external host server.
본 발명에 따르면, 상기와 같은 두 가지 문제, 즉, 모바일 환경에서 사용자에게 불편함을 주지 않도록, 맥파 측정이 어려운 손목 윗등 부위에서 맥파 측정이 가능하게 하는 방법과 손목 움직임에 따른 움직임 잡음에 강인하도록 비교적 최소한의 오류로 원신호를 복원해 냄으로써, 신체의 구속력이 비교적 약한 손목부위, 또는 손목 윗등 부위에서 맥파 검출이 가능한 이점이 있다.According to the present invention, the above two problems, that is, to avoid the inconvenience to the user in the mobile environment, to be able to measure the pulse wave in the upper part of the wrist difficult to measure pulse wave and to be robust to the movement noise due to wrist movement By restoring the original signal with a relatively minimal error, there is an advantage that the pulse wave can be detected in a wrist region or a wrist region where the body restraint is relatively weak.
또한, 움직임 잡음이 부가되어 측정되는 왜곡된 맥파 신호에서 통계적 모델, 가속도 센서, 적응신호처리기술을 이용하여 움직임 잡음을 제거할 수 있는 이점이 있다.In addition, there is an advantage in that the motion noise can be removed using a statistical model, an acceleration sensor, and an adaptive signal processing technique in the distorted pulse wave signal measured by adding the motion noise.
한편, 본 발명은 시계 형태의 손목 착용형 장치를 제공하여 사용자에게 불편 함을 주지 않으므로 휴대형 환경에서 사용 가능한 이점이 있다.On the other hand, the present invention has the advantage that can be used in a portable environment because it provides a wrist-wearing device in the form of a watch does not inconvenience the user.
또한, 본 발명은 블루투스/Zigbee의 지원으로 이를 지원하는 PC, 노트북, 모바일폰, PDA, 기타 모바일 기기에서 맥파를 이용한 개인의 건강지표를 확인하고 관리 할 수 있는 이점이 있다.In addition, the present invention has the advantage of identifying and managing personal health indicators using pulse waves in PCs, laptops, mobile phones, PDAs, and other mobile devices that support it with the support of Bluetooth / Zigbee.
또한, 최근에 건강에 대한 관심이 높아짐으로써 성인이나 노인의 건강측정도구 및 응급전조 상황감지 기능 등으로 사용될 수 있고 HRV분석을 통한 스트레스, 집중도, 수면 품질 등을 위한 컨텐츠가 호스트 장치에 제공된다면, 보다 다양한 용도, 즉 게임, 교육, 웰빙 컨텐츠 용도로 활용될 수 있으며, 뿐만 아니라 Zigbee와 같은 무선프로토콜을 이용하면 병원, 양로원, 실버타운 같은 집단이 있는 곳에 다수의 착용형 장치의 데이터를 수집, 가공할 수 있으므로 유비쿼터스 기반의 헬스케어 분야에 기본 장치로 활용될 수 있다.In addition, recently, as interest in health has increased, it may be used as a health measurement tool and emergency prognostic situation detection function of an adult or the elderly, and if contents for stress, concentration, sleep quality, etc. through HRV analysis are provided to the host device, It can be used for more diverse purposes, such as games, education, and well-being contents. In addition, wireless protocols such as Zigbee can be used to collect and process data from multiple wearable devices in groups such as hospitals, nursing homes and silver towns. It can be used as a basic device in the field of ubiquitous healthcare.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 움직임 잡음에 강인한 맥파 측정 장치가 적용되는 구성을 나타낸 것이다.1 illustrates a configuration to which a pulse wave measuring apparatus robust to motion noise according to the present invention is applied.
본 발명에 따른 맥파 측정 장치(100)는 블루투스 또는 지그비 등을 이용하기 위한 통신 프로토콜을 구비한다. 맥파 측정 장치(100)는 피검자로부터 맥파를 측정하면 무선 통신 기술을 이용하여 측정 데이터를 호스트 장치(200)인 PC, 로봇, 기타 의료장비 등으로 전송하는 것이 가능하다. The pulse
이때, 본 발명에 따른 맥파 측정 장치(100)는 피검자의 맥파를 측정하기 위 한 본체(100a)와, 본체(100a)를 손목에 착용하기 위한 착용수단(100b)으로 구성된다. 착용수단(100b)은 밴드 형태로 구현될 수 있으며, 손목 시계나 팔찌 등과 같은 형태로 구현될 수도 있다.At this time, the pulse
이에, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 맥파 측정 장치의 구성을 좀 더 상세히 설명한다.Thus, with reference to Figure 2 will be described in more detail the configuration of the pulse wave measuring apparatus according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 움직임 잡음에 강인한 맥파 측정 장치의 세부 구성을 도시한 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 맥파 측정 장치(100)는 MCU 플랫폼(110), 센서 저전력 구동부(120), PPG 센서부(130), 신호 증폭부(140), 가속도 센서부(150), 통신부(160), 및 전원 공급부(170)를 포함한다.2 is a block diagram showing a detailed configuration of a pulse wave measuring apparatus robust to motion noise according to the present invention. 2, the pulse
MCU 플랫폼(110)은 신호 전처리부(111), A/D 변환부(114), PWM(115), 및 전원 관리부(116)를 포함한다.The
센서 저전력 구동부(120)는 PPG 센서의 구동을 위한 구동신호를 PPG 센서부(130)로 출력한다.The sensor
PPG 센서부(130)는 피검자의 손목 윗 등 부위에 배치된다. 이때, PPG 센서부(130)는 맥파 측정을 위해 손목 윗 등 부위로 광 신호를 출력하는 발광부(미도시)와, 피검자의 손목, 혈관 등에 반사되는 광신호를 수신하는 수신부(미도시)를 포함한다.The
이때, PPG 센서부(130)는 센서 저전력 구동부(120)로부터의 구동신호에 따라 맥파 측정 동작을 수행한다. PPG 센서부(130)는 피검자로부터 맥파신호를 측정하 고, 측정된 맥파신호를 신호 증폭부(140)로 전달한다.In this case, the
또한, 신호 증폭부(140)는 PPG 센서에 의해 측정된 맥파신호를 일정 레벨을 갖는 신호로 증폭시킨 후, MCU 플랫폼(110)의 A/D 변환부(114)로 전달한다.In addition, the
한편, 가속도 센서부(150)는 피검자의 손목 또는 손의 움직임을 측정하기 위한 센서가 구비된다. 이때, 가속도 센서부(150)에 구비된 센서는 중력 가속도 센서, 각속도 센서 등이 해당 될 수 있다. 가속도 센서부(150)는 측정된 움직임 데이터를 MCU 플랫폼(110)의 A/D 변환부(114)로 전달한다.On the other hand, the
가속도 센서부(150)에 의해 측정된 움직임 데이터는 추후, 맥파신호에서 움직임 잡음을 보정하는데 이용된다.The motion data measured by the
A/D 변환부(114)는 신호 증폭부(140)로부터 입력된 아날로그의 맥파신호를 디지털 신호로 변환하여 신호 전처리부(111)로 출력한다. 마찬가지로, A/D 변환부(114)는 가속도 센서부(150)로부터 전달된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 신호 전처리부(111)로 출력한다.The A /
신호 전처리부(111)는 PPG 센서부(130)와 가속도 센서부(150)의 각 센서들로부터 측정된 신호들을 전처리하여 잡음을 제거하는 기능을 수행한다. 이때, 신호 전처리부(111)는 신호 획득부(112) 및 잡음 제거부(113)를 포함한다. The
신호 획득부(112)는 10bit에서 12bit정도 범위로 양자화시키고, 샘플링 속도는 맥파는 초당 100~1000개 범위의 속도로, 가속도 신호는 초당 100개의 속도로 샘플링한다. The
잡음 제거부(113)는 저역통과필터를 이용하여 신호 획득부(112)에서 샘플링 된 맥파신호의 광잡음, 전기적 잡음 등을 제거한다. 한편, 잡음 제거부(113)는 고역통과필터를 이용하여 신호 획득부(112)에서 샘플링된 맥파신호의 호흡잡음이나 직류성분 등을 제거한다. The
여기서, 각 필터의 차수는 4차이며 차단주파수는 1.5Hz와 0.5Hz 이며, 버터워스타입 IIR(Infinite Impulse Response) 필터를 이용한다.Here, the order of each filter is 4th order, the cutoff frequency is 1.5Hz and 0.5Hz, and a Butterworth type Infinite Impulse Response (IIR) filter is used.
한편, 잡음 제거부(113)는 가속도 신호의 오프셋전압을 제거하고, 스무딩 필터를 이용하여 가속도 신호의 고주파 잡음을 제거한다. Meanwhile, the
마지막으로, 신호 전처리부(111)는 잡음이 제거된 맥파신호와 가속도 신호를 직렬화하여, 통신부(160)로 출력한다.Finally, the
신호 전처리부(111)에 대한 구체적인 동작 설명은 도 6의 설명을 참조한다.For a detailed operation description of the
도 3은 본 발명에 따른 호스트 장치의 구성을 도시한 블록도이다.3 is a block diagram showing the configuration of a host device according to the present invention.
도 3을 참조하면, 호스트 장치(200)는 통신부(210), 능동 잡음 제거부(220), 및 신호 생성부(230)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the
통신부(210)는 맥파 측정 장치(100)로부터 전송된 신호를 수신한다.The
능동 잡음 제거부(220)는 통신부(210)를 통해 수신된 맥파신호와 가속도 신호를 이용하여 능동잡음제거 방식으로 움직임 잡음을 제거한다.The
신호 생성부(230)는 능동 잡음 제거부(220)에 의해 움직임 잡음이 제거되어 최종 복원된 맥파신호를 저장하고, 복원된 맥파신호로부터 맥박의 피크점 간의 간격인 PP신호를 생성하여 HRV분석의 기초자료로 제공한다.The
도 4는 본 발명에 따른 맥파 측정 장치의 구조를 나타낸 도이다.4 is a view showing the structure of the pulse wave measuring apparatus according to the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 맥파 측정 장치(100)에서 PPG 센서부(130)는 피검자의 손목 윗등 부위로 근적외선을 방출하기 위한 두 개의 발광소자를 포함한다. 도 4의 실시예에서는 두 개의 발광소자가 적외선(Infrared Ray, IR) LED(131, 132) 인 것을 예로 한다. Referring to FIG. 4, in the pulse
두 개의 IR LED(131, 132)는 샘플링 되지 않는 시간 간격 사이에는 구동되지 않도록 하는 변조된 펄스를 사용하여 구동시키므로, 연속으로 구동하지 않는다.The two
또한, PPG 센서부(130)는 두 개의 IR LED(131, 132)에 의해 방출된 근적외선을 검출하는 광 검출소자를 더 포함한다. 도 4의 실시예에서는 광 검출소자가 적외선 검출기(IR Detector)(133) 인 것을 예로 한다.In addition, the
IR Detector(133)는 입력된 신호를 샘플링하는 주기와 연동하여 듀티싸이클을 적절하게 조정하여 샘플링 속도에 충분히 반응하도록 한다.The
여기서, 두 개의 IR LED(131, 132)는 IR detector(133)를 중심으로 양 옆에 배치한다. 이는, 손목이 다양한 신체 조직 특히 손목뼈가 손가락 끝 마디에 비해 복잡한 구조를 가지고 동맥도 손목 내부에 깊숙이 위치해 있으므로, 손가락 보다 넓은 범위의 손목구조를 지원하고 깊은 곳의 동맥 흐름을 찾기 위함이다.Here, two
이때, 두 개의 IR LED(131, 132)와 IR detector(133)가 서로 가까우면 IR detector(133)가 IR LED(131, 132)로부터 방출된 빛이 손목 내부로 흡수하여 반사 된 빛뿐만 아니라, IR LED(131, 132)에서 방출하는 빛을 직접 흡수할 수 있다. 따라서, 두 개의 IR LED(131, 132)와 IR detector(133)는 일정의 간격을 유지하도록 배치된다. 바람직하게는 7 내지 10mm 정도의 간격을 유지하도록 배치한다.In this case, when the two
또한, 두 개의 IR LED(131, 132)와 IR detector(133)는 맥파 측정 장치(100)의 본체(100a) 내부에 장착되는 때, 본체(100a) 표면보다 안쪽으로 삽입되도록 실장한다. 바람직하게는 1.5 내지 2mm 정도 안쪽으로 삽입되도록 실장하는 것이 바람직하다. Also, when the two
이 경우, 두 개의 IR LED(131, 132)로부터 방출된 광신호가 IR detector(133)로 직접 흡수되는 것을 줄일 수 있으며, 신체 접촉면과, 두 개의 IR LED(131, 132) 및 IR detector(133) 사이에 거리 간격을 두게 되어 신체 접촉 시 발생하는 움직임 잡음을 줄일 수 있다. In this case, it is possible to reduce the direct absorption of the optical signal emitted from the two IR LEDs (131, 132) to the
또한, 본 발명에 따른 맥파 측정 장치(100)에서, PPG 센서부(130)의 하부 구조에는 PPG 센서부(130)로 구동신호를 인가하는 센서 저전력 구동부(120)와, 피검자의 움직임을 측정하기 위한 가속도 센서가 배치되며, MCU 플랫폼(110)이 배치된다.In addition, in the pulse
또한, 센서 저전력 구동부(120), 가속도 센서, 및 MCU 플랫폼(110)의 하부 구조에는 배터리를 포함하는 전원 공급부(170)가 배치되어, 맥파 측정 장치(100)로 전원을 공급한다. 이때, 전원 공급부(170)는 충전회로가 구비되어, 리튬이온충전지(3.3v) 등으로부터 전원을 공급할 수 있으며, 대기모드 등이 지원되어 저전력으 로도 구동 가능하다. In addition, a
도 5는 도 4에 도시된 IR LED와 IR detector의 특성 곡선을 나타낸 예시도이다.FIG. 5 is a diagram illustrating characteristic curves of the IR LED and the IR detector shown in FIG. 4.
먼저, 도 5의 (a)는 IR LED의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.First, Figure 5 (a) is a graph showing the output characteristics of the IR LED.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, IR LED(131, 132)는 940nm의 파장의 빛인 근적외선을 방출한다. 이때, IR LED(131, 132)는 도 5의 (a)에서 'P'와 같은 출력강도를 가져야 한다.As shown in Fig. 5A, the
특히, 본 발명에 따른 맥파 측정 장치(100)에서는, IR LED(131, 132)가 900nm 내지 1000nm 범위 이내로 한정되어 근적외선을 방출해야 피검자의 손목 윗등에서의 맥파 측정이 가능하다. In particular, in the pulse
도 5의 (b)는 IR detector의 응답 특성을 나타낸 그래프이다.5B is a graph showing the response characteristics of the IR detector.
IR detector(133)는 응답곡선의 퍼짐 정도가 넓으면, 그만큼 다른 대역의 광들이 IR detector(133)로 흡수되어 잡음의 원인이 되므로, 도 5의 (b)에서 응답 곡선 'Q'와 같이 800nm 내지 1000nm 파장대에서 잘 반응하는 센서를 이용한다. When the
아래, [수학식 1]은 Beer-Lambert 법칙이 신체조직에 적용된 것을 나타낸 것이다. Equation 1 below shows that the Beer-Lambert law is applied to body tissues.
여기서, Ii(t)는 입력되는 빛의 세기이고, Io(t)는 신체조직에 투과되어 나온 빛의 세기를 나타낸다. 또한, ελ,k는 매질별 흡수율계수이고, Ck(t)는 농도이며, dk(t)는 각 매질의 거리를 나타낸다.Here, I i (t) is the intensity of the light input, I o (t) is the intensity of the light transmitted through the body tissue. Ε λ, k is the absorption coefficient for each medium, C k (t) is the concentration, and d k (t) represents the distance of each medium.
[수학식 1]에서와 같이, 신체조직으로부터 투과되어 나온 빛의 세기 Io(t)는 세가지 변화요인-매질별 흡수율계수, 농도, 각 매질간의 거리-에 따라 입력된 빛의 세기가 변화하게 된다. As shown in [Equation 1], the intensity of light transmitted from the body tissue I o (t) changes the intensity of the input light according to three change factors: absorption coefficient, concentration, and distance between the media. do.
즉, 한 파장의 빛에 대해서도 각 매질간의 거리, 농도, 흡수율계수에 따라 출력 세기가 달라지므로, 손목부위 같이 복잡한 신체 조직을 갖는 부위에서는 빛의 세기가 변화가 심할 수 있다. In other words, the light intensity of the wavelength varies depending on the distance, concentration, and absorption coefficient between the media, so that the intensity of the light may be changed in a region having a complex body tissue such as a wrist region.
한편, 출력특성과 응답특성의 곡선이 퍼져있는 센서들을 사용하는 경우, [수학식 1]의 Beer-Lambert 법칙은 여러 파장대의 빛을 고려를 해야 하므로, 아래 [수학식 2]와 같이 수정되어야 한다.On the other hand, in the case of using sensors with spread curves of output characteristics and response characteristics, the Beer-Lambert law of [Equation 1] should consider the light of various wavelengths, and should be modified as shown in [Equation 2] below. .
즉, 각 파장대 마다 빛의 흡수율이 달라, 입사되는 서로 다른 파장대의 빛이 혼합되어 출력에 영향을 주므로, 매질이 복잡한 손목조직에서는 비교적 좁은 파장대의 특성을 갖는 것이 중요하다.In other words, since the absorption of light is different for each wavelength band, light incident to different wavelength bands is mixed to affect the output. Therefore, it is important to have a relatively narrow wavelength band in a wrist tissue having a complicated medium.
도 6은 본 발명에 따른 신호 전처리부에서 움직임 잡음을 제거하는 동작을 설명하는데 참조되는 예시도로서, 움직임 잡음이 부가되어 측정되는 왜곡된 맥파 신호에서 움직임 잡음제거용 능동 잡음 제거기에 대한 적응필터 구조를 나타낸 것이다.FIG. 6 is an exemplary view referred to for explaining an operation of removing motion noise in a signal preprocessor according to the present invention. FIG. 6 is an adaptive filter structure for an active noise canceller for removing motion noise from a distorted pulse wave signal measured by adding motion noise. It is shown.
도 6을 참조하면, 움직임 잡음이 없는 경우에는 순수한 맥파신호 P가 발생하고, 만일 피검자에 의해 움직임이 발생하는 경우에는 순수한 맥파신호 P에 움직임 잡음고유성분인 n이 부가된 신호가 발생하게 된다. Referring to FIG. 6, if there is no motion noise, a pure pulse wave signal P is generated. If a motion is generated by a subject, a signal in which n, which is a unique component of motion noise, is added to the pure pulse wave signal P is generated.
따라서, 실제로 PPG 센서부(130)에서 측정되는 신호는 순수한 맥파신호 P에 움직임 잡음고유성분인 n이 부가된 신호 d=p+n가 측정되어진다. Therefore, as a signal measured by the
이때, 잡음고유성분인 n은 그 값을 정확히 알 수가 없다. 만일, 근사적으로 n과 상관이 높은 신호를 구할 수 있다면 적응필터에서 능동잡음제거기(ANC)구조를 이용하여 원 신호 P에 포함된 고유잡음 n을 최소평균제곱의 오차로 감쇠가 가능하다. At this time, the noise-native component n cannot know exactly its value. If a signal having a high correlation with n can be obtained, it is possible to attenuate the natural noise n included in the original signal P with the minimum mean square error by using an active noise canceller (ANC) structure in the adaptive filter.
본 발명에 따른 맥파 측정 장치에서는 AR 모델 추정기를 이용하여 고유 움직 임 잡음의 모델을 추정하고, 추정된 모델의 전달함수 를 구하여 상관도가 높은 잡음을 얻는다. In the pulse wave measuring apparatus according to the present invention, a model of inherent motion noise is estimated using an AR model estimator, and a transfer function of the estimated model is estimated. To obtain a highly correlated noise.
한편, 손목 부위의 움직임은 가속도 센서부(150)의 3축 가속도 센서로부터 맥파 성분이 아닌 각축의 가속도 성분을 구한다. 이때, 가속도 센서는 가속도 신호 a가 맥파 신호를 왜곡한 신호와 상관이 있도록 유한임펄스응답(FIR, Finite Impulse Response) 필터로 전달한다. On the other hand, the movement of the wrist portion obtains the acceleration component of each axis, not the pulse wave component, from the three-axis acceleration sensor of the
다른 실시예로서, 혈압계의 커프를 이용하는 경우에는, 일시적으로 손목에 맥파 성분이 제거된 후 손목의 움직임을 통해 나오는 근사적인 고유 움직임 잡음으로 인한 맥파 성분의 값을 AR 모델 추정기로 추정한다. As another example, when the cuff of the blood pressure monitor is used, the AR model estimator estimates the value of the pulse wave component due to the approximate intrinsic motion noise generated through the movement of the wrist after the pulse wave component is temporarily removed from the wrist.
따라서, FIR 필터는 전달함수 와 가속도 신호 a를 필터링하여 고유 움직임 잡음 n과 상관이 있는 신호 를 출력한다. 이때, 신호 는 능동잡음 제거기의 입력신호로 작용한다. Thus, the FIR filter has a transfer function And the acceleration signal a to be filtered to correlate with the natural motion noise n . Signal Acts as an input signal to the active noise canceller.
이후, 신호 전처리부(111)는 적응필터의 고유기능의 따라 최종 움직임 잡음이 어느 정도 제거된 최종 복구된 신호를 구하게 된다.Thereafter, the
이상과 같이 본 발명에 의한 움직임 잡음에 강인한 맥파 측정 장치 및 그 방법은 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 응용될 수 있다.As described above, the pulse wave measuring apparatus and the method which are robust to the motion noise according to the present invention have been described with reference to the illustrated drawings, but the present invention is not limited by the embodiments and drawings disclosed herein, and the scope of the technical idea is protected. It can be applied within.
도 1 은 본 발명에 따른 맥파 측정 장치가 적용되는 시스템 구성도이다.1 is a system configuration to which the pulse wave measuring apparatus according to the present invention is applied.
도 2 는 본 발명에 따른 맥파 측정 장치의 구성을 설명하는데 참조되는 블록도이다.2 is a block diagram referred to for explaining the configuration of the pulse wave measuring apparatus according to the present invention.
도 3 은 본 발명에 따른 호스트 장치의 구성을 설명하는데 참조되는 블록도이다.3 is a block diagram referred to to explain the configuration of the host apparatus according to the present invention.
도 4 는 본 발명에 따른 맥파 측정 장치의 구성을 도시한 구조도이다.4 is a structural diagram showing the configuration of a pulse wave measuring apparatus according to the present invention.
도 5 는 본 발명에 따른 맥파 측정 장치의 동작 설명에 참조되는 예시도이다.5 is an exemplary view referred to for describing the operation of the pulse wave measuring apparatus according to the present invention.
도 6 은 본 발명에 따른 맥파 측정 장치에서 움직임 잡음 제거 동작을 설명하는데 참조되는 도면이다.FIG. 6 is a view referred to for describing a motion noise removing operation in the pulse wave measuring apparatus according to the present invention.
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