KR20120033777A - A method of stress analysis using a biometric reaction information on varying a time - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for analyzing stress through a time-variable biometric reaction signal is provided to accurately analyze the stress by converting a biometric reaction signal feature of a subject in a frequency domain. CONSTITUTION: A biometric signal of a subject is measured by using an electrocardiogram measuring instrument(S101). The biometric signal of the subject is obtained(S103). The measured biometric signal is changed from a frequency domain to a spectrum quantity(S105). A HRV(Heart Rate Variability) parameter is extracted(S107). An absolute power ratio of a low frequency element to a high frequency element is calculated(S109). Stress is determined by analyzing the signal(S111).

Description

시간에 따라 변화하는 생체 반응신호를 통해 스트레스를 분석하는 방법{A method of stress analysis using a biometric reaction information on varying a time}A method of stress analysis using a biometric reaction information on varying a time}

본 발명은 심박수변이도(HRV: Heart Rate Variability)를 이용한 스트레스(stress) 분석에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시간에 따라 변화하는 비 주기 신호인 학습자의 생체 반응 신호의 특성을 주파수 영역으로 변환하여 신호 해석을 함으로써 스트레스를 확인할 수 있도록 한 심박수변이도를 이용한 스트레스 분석방법에 관한 것이다.The present invention relates to stress analysis using heart rate variability (HRV), and more particularly, to convert the characteristics of the bioreaction signal of a learner, which is a non-periodic signal that changes with time, into a frequency domain. The present invention relates to a stress analysis method using heart rate variability that enables the identification of stress by interpretation.

스트레스(stress)는 인체의 신진대사에 변화를 가져오게 되며 이는 호르몬이나 심혈관계의 비정상적인 변화로 나타나게 된다. 참고문헌 Heiko Schoder, Daniel H. Silverman, Roxana Campsi, Harold Karpman, Michael E Phelps, Heinruch R. Schelbert, Johannes Czernin, "Effects of Mental Stress on Myocardial Blood Flow and Vasomotion in Patients with Coronary Artery Disease", The Journal of Nuclear Medicine, vol.41, no.1, pp11-16, 2000.과 참고문헌 Willem J. Kop, John S.Gottdiener, Stephan M Patterson, David S. Krantz, "Relationship between left ventricular mass and hemodynamic response to physical and physical stress", Journal of Psychosomatic Research, vol.48, pp79-88, 2000. 및 참고문헌 Jean Pierre Fauvel, Catherine Cerutti, Pierre Quelin, Maurice Laville, "Mental Stress-Induced Increase in Blood Pressure IS Not Related to Baroreflex Sensitivity in Middle-Aged Healthy Men", Hypertension, vol.35, pp887-891, 2000. 등의 연구에서는 수학연산과 같은 스트레스를 부여할 때에 심박수, 혈압 등의 변화와 같이 심혈관계에 영향을 미침을 보였다. 스트레스와 같은 자극에 대하여 인체는 자율신경계의 변화로 반응을 보이게 되는데 이러한 변화를 비관혈적인 방법으로 측정하기 위해서 심박수변이도(heart rate variability: HRV)에 대한 연구들이 행해져 왔다.Stress causes a change in the body's metabolism, which is manifested by abnormal changes in hormones or the cardiovascular system. Heiko Schoder, Daniel H. Silverman, Roxana Campsi, Harold Karpman, Michael E Phelps, Heinruch R. Schelbert, Johannes Czernin, "Effects of Mental Stress on Myocardial Blood Flow and Vasomotion in Patients with Coronary Artery Disease", The Journal of Nuclear Medicine, vol. 41, no. 1, pp 11-16, 2000. and references Willem J. Kop, John S. Gottdiener, Stephan M Patterson, David S. Krantz, "Relationship between left ventricular mass and hemodynamic response to physical and physical stress ", Journal of Psychosomatic Research, vol. 48, pp79-88, 2000. and references Jean Pierre Fauvel, Catherine Cerutti, Pierre Quelin, Maurice Laville," Mental Stress-Induced Increase in Blood Pressure IS Not Related to Baroreflex Sensitivity in Middle-Aged Healthy Men ", Hypertension, vol. 35, pp887-891, 2000., et al., Showed that the effects on the cardiovascular system such as changes in heart rate, blood pressure, etc. . The human body responds to changes in the autonomic nervous system to stresses such as stress. Heart rate variability (HRV) has been studied to measure such changes in a noninvasive manner.

심박수변이도 분석에 의한 자율신경 기능을 평가하는 종래기술은 1996년 유럽과 북미학회를 중심으로 심박간격 분석지표 관련용어 통일, 서양인 기준의 정상범위 제시, 각 지표들에 대한 신경생리학적 의미와 임상활용 분야 등이 정리된 논문들이 소개되면서 급속하게 발전 되어 왔다.Conventional techniques for evaluating autonomic nervous system function by heart rate variability analysis are based on the unification of terms related to heart rate interval analysis indicators, suggesting the normal range of Western standard, and the clinical use of neurophysiology for each indicator. The introduction of papers on the field has been rapidly developed.

심박간격은 심전도 또는 맥파 파형의 피크간 간격을 의미하는 것으로, 측정한 시간 동안의 심박간격의 변화그래프를 심박간격변이도(RRV: R-R Interval Variability)라고 부르며 문헌에 따라서는 주기 길이 변이도(CLV: Cycle LengthHeart rate interval refers to the interval between peaks of an electrocardiogram or pulse wave waveform. The graph of change in heart rate interval during a measured time is called RR Interval Variability (RRV) and according to the literature, the cycle length variability (CLV) Length

Variability), 심박수변이도(HRV: Heart Rate Variability)등으로 불리기도 한다.Variability, and heart rate variability (HRV).

일반적으로 이러한 심박수변이도 시계열에서 추출가능한 잘 알려진 분석지표들에는 심박수(HR: Heart Rate), 표준편차(SDNN: Standard Deviation of Normal R-Normal R intervals), 저주파수 영역의 절대전력(LF: Low Frequency), 고주파수 영역의 절대전력(HF: High Frequency), 고주파수 영역에 대한 저주파수 영역의 절대전력비율(LF/HF), 확률분포가 퍼진 정도(HRV-Index, Heart Rate Variability-Index) 등이 있다.In general, well-known analytical indicators that can be extracted from the time series of heart rate variability include Heart Rate (HR), Standard Deviation of Normal R-Normal R intervals (SDNN), and Low Frequency (LF) Low Frequency (LF). , Absolute power of high frequency region (HF), absolute power ratio of low frequency region to high frequency region (LF / HF), spread of probability distribution (HRV-Index, Heart Rate Variability-Index).

이러한 심박수변이도 분석지표들은 성별에 따른 뚜렷한 차이는 없으나 자율신경기능의 노화로 인해 연령대별 차이는 큰 편이므로 세부 연령대별로 분류하여 값을 해석하는 것이 중요하다.These heart rate variability analysis indicators do not have any significant differences according to gender, but due to aging of autonomic nervous system, the differences by age group tend to be large.

HRV 신호는 각종 심혈관계 질환의 예측 등에도 널리 사용되는 신호로 심전도로부터 HRV 신호로 재구성한 후 주파수 분석 방법을 적용하고, 아래의 <표 1>에 보이는 바와 같이 주파수(frequency) 분석에서 나타나는 성분들의 변화로 자율신경계의 교감/부교감 신경의 활동 정도를 알 수 있다. HRV 신호로부터 자율신경계의 활동은 관찰하기 위해서는 저주파(LF: low frequency), 중간 주파(MF: middle frequency), 그리고 고주파(HF: high frequency) 영역으로 나누어 주파수 영역의 비를 이용한다.HRV signal is widely used for predicting various cardiovascular diseases, etc., after reconstructing from ECG to HRV signal, applying frequency analysis method, and as shown in Table 1 below, Changes indicate the activity of the sympathetic / parasympathetic nerves of the autonomic nervous system. In order to observe the activity of the autonomic nervous system from the HRV signal, the ratio of the frequency domain is divided into a low frequency (LF), a middle frequency (MF), and a high frequency (HF) region.

참고문헌 G.Gerra, A.Zaimovic, U.Zambelli, M.Timpano, N.Reali, "Neuroendocrine Responses to Psychological Stress in Adolescents with Anxiety Disorder", Neuropsychophysiology, vol.42, pp82-92, 2000. 및 참고문헌 Rollin McCraty, Mike Atkinson, William A. Tiller, Glen Rein, Alan D. Watkins, "The Effects of Emotions on Short-Term Powear Spectrum Analysis of Heart Rate Variability", The American Journal of Cardiology, vol.76, pp1089~1093, 1995.에 따르면 사용자가 정신적인 집중을 요하는 시간이나 외부환경으로의 자극을 받을 때는 LF 성분이 증가하여 LF/HF 값이 증가함을 보였고, Rollin 등은 감정상태의 변화를 유발한 다음 HRV신호를 측정하여 그 변화를 관찰하여 나쁜 감정상태에서는 LF/HF 값이 증가하고 좋은 감정상태에서는 MF/(LF+HF) 값이 증가한다고 발표하였다.References G.Gerra, A.Zaimovic, U.Zambelli, M.Timpano, N.Reali, "Neuroendocrine Responses to Psychological Stress in Adolescents with Anxiety Disorder", Neuropsychophysiology, vol. 42, pp82-92, 2000. and references Rollin McCraty, Mike Atkinson, William A. Tiller, Glen Rein, Alan D. Watkins, "The Effects of Emotions on Short-Term Powear Spectrum Analysis of Heart Rate Variability", The American Journal of Cardiology, vol. 76, pp 1089-1093 , 1995. According to the user, when the user requires mental concentration or stimulation to the external environment, the LF component is increased to increase the LF / HF value, and Rollin et al. By measuring the signal and observing the change, the LF / HF value increases in the bad emotional state and the MF / (LF + HF) value increases in the good emotional state.

HRV 신호의 주파수 성분과 정서Frequency Components and Emotions of HRV Signals 주파수 성분Frequency component 주파수 영역Frequency domain 기전Mechanism Low Frequency(LF)Low Frequency (LF) 0.01 ~ 0.08Hz0.01 to 0.08 Hz 교감 신경의 활동을 주로 나타내며 정신적 스트레스시에 활동량이 증가한다.It mainly represents the activity of the sympathetic nerve and increases the amount of activity during mental stress. Mid Frequency(MF)Mid Frequency (MF) 0.08 ~ 0.15Hz0.08 to 0.15 Hz 교김/부교감 신경 모두의 활동을 나타내며 부교감 신경활동이 더 우세하게 나타난다.Representative activity of both sympathetic / parasympathetic nerves and parasympathetic nerve activity is more prevalent. High Frequency(HF)High Frequency (HF) 0.15 ~ 0.5Hz0.15 to 0.5 Hz 주로 부교감 신경에 의한 활동을 나타내며 정서적 안정시에 활동양이 증가한다.It is mainly caused by parasympathetic nerves and increases in active emotional stability.

그러나 이러한 분석지표들에 한해서 정상범위가 제시되었다 하더라도 이것은 특정 인종(예를 들어, 서양인)을 기준으로 제시되어 있는 경우가 대부분으로 한국인과 같은 동양인은 이를 적용하기에 적합하지 않은 문제점이 있다.However, even if the normal range is presented only for these analytical indicators, this is often based on a specific race (for example, westerner), and there is a problem that Asians such as Koreans are not suitable to apply it.

또한, 종래의 HRV 신호 분석방법들은 변화하지 않는 생체신호에 대해서는 어느 정도 적용이 가능하였으나, 시간에 따라 역동적으로 변화하는 생체신호를 분석하는 데에는 한계가 있었다.In addition, although the conventional HRV signal analysis methods can be applied to some extent to the bio signals that do not change, there is a limit in analyzing the bio signals that change dynamically with time.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 HRV 신호 분석 방법에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,Accordingly, the present invention has been proposed to solve various problems occurring in the conventional HRV signal analysis method as described above.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 시간에 따라 변화하는 비 주기 신호로 보이는 학습자의 생체 반응 신호의 특성을 주파수 영역으로 변환하여 신호 해석을 함으로써 스트레스를 정확하게 분석할 수 있도록 한 심박수변이도를 이용한 스트레스 분석방법을 제공하는 데 있다.The problem to be solved by the present invention, stress analysis using the heart rate variability that can accurately analyze the stress by converting the characteristics of the learner's biological response signal that appears as a non-periodic signal that changes over time to the frequency domain to interpret the signal To provide a way.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 "심박수변이도를 이용한 스트레스 분석방법"은,"Stress analysis method using heart rate variability" according to the present invention for solving the above problems,

시간에 따라 변화하는 비 주기 신호인 학습자의 생체 반응 신호를 획득하는 생체신호 획득단계와;A biosignal obtaining step of obtaining a biometric response signal of the learner, which is a non-periodic signal that changes with time;

상기 획득한 생체 반응 신호를 주파수 영역으로 변환하고, 신호 해석을 통해 스트레스를 분석하는 스트레스 분석단계를 포함한다.And converting the obtained biological response signal into a frequency domain, and analyzing the stress through signal analysis.

상기에서 스트레스 분석단계는,In the above stress analysis step,

상기 생체 반응 신호를 이산 푸리에 변환(DFT)하여 주파수영역에서 스펙트럼 량으로 변환하는 것을 특징으로 한다.The bioreaction signal may be converted into spectral quantities in a frequency domain by discrete Fourier transform (DFT).

상기에서 스트레스 분석단계는,In the above stress analysis step,

상기 변환한 주파수 영역의 스펙트럼 량으로부터 심박수변이도 파라미터를 추출하는 것을 특징으로 한다.The heart rate variability parameter is extracted from the converted spectral amount in the frequency domain.

상기에서 스트레스 분석단계의 심박수변이도 파라미터는,The heart rate variability parameter of the stress analysis step,

스펙트럼 밀도(PSD), 고주파(HF) 성분, 중주파(MF) 성분, 저주파(LF) 성분을 포함하는 것을 특징으로 한다.A spectral density (PSD), a high frequency (HF) component, a medium frequency (MF) component, and a low frequency (LF) component are included.

상기에서 스트레스 분석단계는,In the above stress analysis step,

고주파수 성분에 대한 저주파수 성분의 절대전력비율(LF/HF)과, 고주파수 성분과 저주파수 성분을 합한 주파수 성분에 대한 중주파 성분의 절대전력비율(MF/(LF+HF)을 산출하고, 신호 해석을 통해 스트레스를 판단하는 것을 특징으로 한다.Calculate the absolute power ratio (LF / HF) of the low frequency components to the high frequency components, and the absolute power ratio (MF / (LF + HF) of the medium frequency components to the frequency components that combine the high and low frequency components. It is characterized by determining the stress.

본 발명에 따르면, 시간에 따라 변화하는 비 주기 신호인 학습자의 생체 반응 신호의 특성을 주파수 영역으로 변환하여 신호 해석을 함으로써, 스트레스를 정확하게 분석할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage that the stress can be accurately analyzed by converting the characteristics of the bioreaction signal of the learner, which is a non-periodic signal that changes over time, into a frequency domain to perform signal analysis.

도 1은 본 발명이 적용되는 심박수변이도를 이용한 스트레스 분석시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 심박수변이도를 이용한 스트레스 분석방법을 보인 흐름도.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에서 획득한 생체신호와 스펙트럼 밀도와 각각의 주파수 성분 및 신호해석 그래프.
도 4는 본 발명에서 실험을 위한 환경 설명도.
도 5는 본 발명에 의한 실험 결과표.
1 is a block diagram of a stress analysis system using a heart rate variability to which the present invention is applied.
2 is a flow chart illustrating a stress analysis method using a heart rate variability according to the present invention.
3A to 3G are graphs showing biosignals and spectral densities, and respective frequency components and signal analysis obtained in the present invention.
Figure 4 is an environmental explanatory diagram for the experiment in the present invention.
5 is an experimental result table according to the present invention.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, described in detail with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of the present invention. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

도 1은 본 발명이 적용되는 스트레스 분석장치에 대한 구성도로서, 심전도를 측정하는 심전도 측정기(110), 산소 포화도를 측정하는 산소 포화도 측정기(120), 측정된 생체 신호로부터 스트레스를 분석하는 마이크로 프로세서(130), 분석을 위한 심박수변이도 파라미터나 분석 결과를 표시해주는 표시부(140), 산출된 파라미터 및 결과 데이터 등을 저장하기 위한 저장부(150)를 포함한다.1 is a configuration diagram of a stress analysis apparatus to which the present invention is applied, an electrocardiogram measurer 110 for measuring an electrocardiogram, an oxygen saturation measurer 120 for measuring oxygen saturation, and a microprocessor for analyzing stress from a measured biosignal 130, a display unit 140 for displaying a heart rate variability parameter or an analysis result for analysis, and a storage unit 150 for storing the calculated parameters and result data.

도 2는 본 발명에 따른 심박수변이도를 이용한 스트레스 분석방법을 보인 흐름도로서, 시간에 따라 변화하는 비 주기 신호인 학습자의 생체 반응 신호를 획득하는 생체신호 획득단계(S101 ~ S103)와; 상기 획득한 생체 반응 신호를 주파수 영역으로 변환하고, 신호 해석을 통해 스트레스를 분석하는 스트레스 분석단계(S105 ~ S111)를 포함한다.2 is a flowchart illustrating a stress analysis method using a heart rate variability according to the present invention, wherein a biosignal obtaining step (S101 to S103) of obtaining a biometric response signal of a learner, which is a non-periodic signal that changes with time; And a stress analysis step (S105 ˜ S111) of converting the obtained bioreaction signal into a frequency domain and analyzing the stress through signal analysis.

상기에서 스트레스 분석단계(S105 ~ S111)는, 상기 생체 반응 신호를 이산 푸리에 변환(DFT)하여 주파수영역에서 스펙트럼 량으로 변환하는 단계(S105), 상기 변환한 주파수 영역의 스펙트럼 량으로부터 심박수변이도 파라미터를 추출하는 단계(S107), 고주파수 성분에 대한 저주파수 성분의 절대전력비율(LF/HF)과, 고주파수 성분과 저주파수 성분을 합한 주파수 성분에 대한 중주파 성분의 절대전력비율(MF/(LF+HF)을 산출하는 단계(S109) 및 신호 해석을 통해 스트레스를 판단하는 단계(S111)를 포함한다.In the stress analysis step (S105 ~ S111), the discrete Fourier transform (DFT) of the biological response signal is converted into a spectral amount in the frequency domain (S105), the heart rate variability parameter from the converted spectral amount in the frequency domain In step S107, the absolute power ratio (LF / HF) of the low frequency component to the high frequency component, and the absolute power ratio (MF / (LF + HF) of the medium frequency component to the frequency component of the sum of the high frequency component and the low frequency component Comprising the step (S109) and the signal analysis to determine the stress (S111).

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 심박수변이도를 이용한 스트레스 분석방법은, 먼저 생체 신호를 측정하고자 하는 피검자에게 심전도 측정 장비 및 산소 포화도 측정 장비를 부착하고, 심전도 측정기(110)에서는 심전도를 측정하고, 산소 포화도 측정기(120)에서는 산소 포화도를 측정하여 각각 시간에 따라 역동적으로 변화하는 생체 신호로 마이크로 프로세서(130)에 전달한다.In the stress analysis method using the heart rate variability according to the present invention configured as described above, an ECG measuring device and an oxygen saturation measuring device are first attached to a subject to measure a biosignal, and the ECG measuring device 110 measures the ECG and the oxygen saturation degree. The measurer 120 measures oxygen saturation and transmits the oxygen saturation to the microprocessor 130 as a biosignal that dynamically changes with time.

그러면 마이크로 프로세서(130)에서는 도 2와 같은 스트레스 분석과정을 수행하여, 스트레스를 분석하게 된다.Then, the microprocessor 130 performs the stress analysis process as shown in FIG. 2 to analyze the stress.

즉, 단계 S101 및 단계 S103에서는 심전도 측정기 등을 이용하여 피검자(학습자)의 생체 신호를 측정하여, 생체 신호를 획득하게 된다.That is, in steps S101 and S103, a biosignal of a subject (learner) is measured by using an electrocardiogram detector and the like to obtain a biosignal.

그리고 단계 S105에서 상기 측정한 생체 신호를 이산 푸리에 변환(DFT: Discrete Fourier Transform)하여 주파수 영역에서 스펙트럼 량으로 변환을 한다.In operation S105, the measured biosignal is discrete Fourier transform (DFT) to convert the measured biosignal into a spectral amount in the frequency domain.

여기서 생체 신호는 시간에 따라 역동적으로 변화하며 이러한 생체 신호를 푸리에 변환(Fourier Transform)을 하면 주파수 영역에서 스펙트럼 양으로 표시할 수 있다. 푸리에 변환은 비 주기 함수를 무수히 많은 주파수의 정현파 성분의 합(合), 즉 적분으로 나타낸 것으로 시간영역의 함수를 주파수 영역에 대한 연속적인 지수 성분으로 표현하는 방식이다. 이렇게 표현된 스펙트럼 밀도 함수는 시간 영역에서의 어떤 신호에 포함된 각각의 주파수 성분의 상대적인 크기를 알 수 있어 시간 영역의 신호를 분석하고 이해하는데 필수적으로 사용되는 방법이다. 따라서 시간에 따라 변화하는 비 주기 신호로 보이는 학습자의 생체 반응 신호의 특성을 주파수 영역으로 변환하여 신호 해석을 할 수 있는 유용한 도구이다. In this case, the biosignal dynamically changes with time, and if the biosignal is Fourier transformed, the biosignal may be displayed as a spectral amount in the frequency domain. The Fourier transform represents a non-periodic function as a sum, or integration, of countless frequency sinusoidal components, and expresses a function of the time domain as a continuous exponential over the frequency domain. The spectral density function expressed in this way can know the relative magnitude of each frequency component included in a signal in the time domain and is an essential method for analyzing and understanding the signal in the time domain. Therefore, it is a useful tool to convert the characteristics of the bioreaction signal of the learner, which appears to be a non-periodic signal that changes over time, into the frequency domain for signal interpretation.

본 발명에서는 아래의 식(1)의 이산 푸리에 변환(discrete fourier transform)을 사용하였다. 여기서 F(u)는 푸리에 계수이고, f(x)는 계측된 생체 신호이다.In the present invention, a discrete fourier transform of the following formula (1) was used. Where F (u) is the Fourier coefficient and f (x) is the measured biosignal.

Figure pat00001
Figure pat00001

다음으로, 단계 S107에서 상기 변환한 주파수 영역의 스펙트럼 밀도(PSD: Power Spectrum Density)로부터 심박수변이도 파라미터를 추출하게 된다. 즉, 스펙트럼 밀도(PSD)로부터 심박수변이도 파라미터인 고주파(HF) 성분, 중주파(MF) 성분, 저주파(LF) 성분을 추출하게 된다.Next, in step S107, the heart rate variability parameter is extracted from the transformed spectral density (PSD) of the frequency domain. That is, the high frequency (HF) component, the medium frequency (MF) component, and the low frequency (LF) component, which are heart rate variability parameters, are extracted from the spectral density PSD.

이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 도 3a와 같은 심박수변이도(HRV) 신호를 획득하였다고 가정을 하면, 이산 푸리에 변환을 통해 도 3b와 같은 주파수 영역의 스펙트럼 밀도를 산출한다, 이러한 주파수 영역의 스펙트럼 밀도를 통해 각 영역별 주파수 분포를 알 수 있다.In more detail, assuming that a heart rate variability (HRV) signal as shown in FIG. 3A is obtained, the spectral density of the frequency domain as shown in FIG. 3B is calculated through a discrete Fourier transform. Through this, the frequency distribution of each area can be known.

이후 상기 주파수 스펙트럼 분포 성분에서 도 3c와 같은 저주파(LF) 성분을 추출하고, 도 3d와 같은 중주파(MF) 성분을 추출하며, 도 3e와 같은 고주파(HF) 성분을 추출하게 된다.Thereafter, the low frequency (LF) component as shown in FIG. 3C is extracted from the frequency spectrum distribution component, the middle frequency (MF) component as shown in FIG. 3D is extracted, and the high frequency (HF) component as shown in FIG. 3E is extracted.

이후 단계 S109로 이동하여 상기 추출한 심박수변이도 파라미터를 이용하여, 고주파수 성분에 대한 저주파수 성분의 절대전력비율(LF/HF)과, 고주파수 성분과 저주파수 성분을 합한 주파수 성분에 대한 중주파 성분의 절대전력비율(MF/(LF+HF)을 산출하게 된다. 도 3f는 상기 고주파수 성분에 대한 저주파수 성분의 절대전력비율(LF/HF)을 나타낸 것이고, 도 3g는 상기 고주파수 성분과 저주파수 성분을 합한 주파수 성분에 대한 중주파 성분의 절대전력비율(MF/(LF+HF)을 나타낸 것이다.Thereafter, by moving to step S109, using the extracted heart rate variability parameter, the absolute power ratio (LF / HF) of the low frequency component to the high frequency component, and the absolute power ratio of the medium frequency component to the frequency component of the sum of the high frequency component and the low frequency component ( 3F shows the absolute power ratio (LF / HF) of the low frequency components to the high frequency components, and FIG. 3G shows the frequency components of the sum of the high frequency components and the low frequency components. Absolute power ratio (MF / (LF + HF)) of the medium frequency components is shown.

다음으로, 단계 S111로 이동하여 상기 단계 S109에서 산출한 정보를 기반으로 신호 해석을 통해 스트레스를 판단하게 된다.Next, the process moves to step S111 to determine the stress through signal analysis based on the information calculated in step S109.

즉, 주지한 <표1>과 같은 관계를 기반으로, 주파수 영역에서의 심박수변이도 신호 해석을 수행하여, 피검자(학습자)가 받는 스트레스 양을 해석하게 되는 것이다. 예컨대, LF/HF 값이 증가할 경우에는 나쁜 감정상태로서 스트레스가 많다는 것으로 분석하게 되며, MF/(LF+HF) 값이 증가할 경우에는 좋은 감정상태로서 상대적으로 스트레스가 적다는 것으로 분석하게 되는 것이다.In other words, based on the relationship shown in Table 1, the heart rate variability signal analysis in the frequency domain is performed to analyze the amount of stress that the subject (learner) receives. For example, when the LF / HF value is increased, it is analyzed that there is a lot of stress as a bad emotional state, and when the MF / (LF + HF) value is increased, it is analyzed that it is a relatively low stress as a good emotional state. will be.

본 발명자는 주지한 바와 같은 본 발명의 심박수변이도를 이용한 스트레스 분석방법을 실험하여 다음과 같은 결과를 얻었다.The present inventors experimented with the stress analysis method using the heart rate variability of the present invention as described in the following results.

도 4에 도시한 바와 같이, 아동 17명을 대상으로 한 실험 장소는 어린이집의 독립된 공간에서 시행하였고 실내온도를 23℃ 유지하였다. 피험자의 생체 신호는 심전도, 산소 포화도를 측정하였다. 데이터 측정 장비로는 Bionet사의 BM3_wide 기종을 사용하였으며 샘플링률은 1, 분해능은 12bit로 하였으며 측정된 데이터는 PC로 전송되어 저장한 다음 분석하였다.As shown in FIG. 4, the experiment site for 17 children was conducted in an independent space of the day care center and maintained at room temperature of 23 ° C. The biological signal of the subject measured electrocardiogram and oxygen saturation. Bionet's BM3_wide model was used as the data measurement equipment. The sampling rate was set to 1 and the resolution was set to 12 bits. The measured data was transferred to a PC and stored and analyzed.

실험 전에 피험자에게 생체 신호 측정에 필요한 전극들을 부착하였고 탁자 위에 노트북과 헤드폰을 준비하였다. 피험자는 2분간 실험에 대한 설명을 듣고 안정기를 가진 후 10분간 11개의 동영상 콘텐츠를 본 후 동영상 콘텐츠에 대한 설문 조사를 하였다. 아울러 실험 중에는 외부의 소리를 차단하였으며 일체의 대화를 금지하였으며 자신의 생체신호 데이터를 보지 못하도록 하였다.Before the experiment, the subjects were attached with electrodes for measuring bio signals, and laptops and headphones were prepared on the table. The subject listened to the description of the experiment for 2 minutes, had a ballast, and then watched 11 video contents for 10 minutes and surveyed the video contents. In addition, during the experiment, the outside sound was cut off, and all conversations were prohibited, and his biosignal data was not seen.

측정된 심전도 신호는 Bionet 사에서 제공하는 소프트웨어로 QRS detection 방법을 이용하여 RR 간격으로 재구성한 후에 심박동 변이를 구하였다. The measured electrocardiogram signal was reconstructed at intervals of RR by using QRS detection method by software provided by Bionet, and the heart rate variation was obtained.

도 3a ~ 도 3g는 실험을 하는 동안에 측정한 HRV 신호에서 주파수 분석방법을 이용하여 구한 피험자 한 명에 대한 결과로, HRV 신호의 스펙트럼 밀도, LF, MF, HF 성분, LF/HF, MF/(LF+HF) 분석 결과를 보인다. 3A to 3G are results of one subject obtained by using a frequency analysis method in the HRV signal measured during the experiment, the spectral density of the HRV signal, LF, MF, HF components, LF / HF, MF / ( LF + HF) analysis results.

도 5는 아동 83인에 대하여 스트레스 수치인 LF/HF 값과 MF/(LF+HF) 값을 추출한 실험 결과치를 도시한 것이다.FIG. 5 shows experimental results of extracting LF / HF and MF / (LF + HF) values, which are stress values, for 83 children.

실험 결과가 나타낸 바와 같이, LF/HF 값이 증가할 경우에는 나쁜 감정상태로서 스트레스가 많다는 것을 알 수 있으며, MF/(LF+HF) 값이 증가할 경우에는 좋은 감정상태로서 상대적으로 스트레스가 적다는 것을 알 수 있다.As the experimental result shows, when the LF / HF value is increased, it can be seen that there is a lot of stress as a bad emotional state, and when the MF / (LF + HF) value is increased, it is relatively low as a good emotional state. It can be seen that.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.

110 ..... 심전도 측정기
120 ..... 산소 포화도 측정기
130 ..... 마이크로프로세서
140 ..... 표시부
150 ..... 저장부
110 ..... ECG meter
120 ..... Oxygen Saturation Meter
130 ..... Microprocessor
140 ..... Display
150 ..... storage

Claims (5)

심박수변이도(HRV)를 이용한 스트레스 분석방법에 있어서,
시간에 따라 변화하는 비 주기 신호인 피검자(학습자)의 생체 반응 신호를 획득하는 생체신호 획득단계와;
상기 획득한 생체 반응 신호를 주파수 영역으로 변환하고, 신호 해석을 통해 스트레스를 분석하는 스트레스 분석단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 심박수변이도를 이용한 스트레스 분석방법.
In the stress analysis method using heart rate variability (HRV),
Obtaining a biometric signal of a subject (learner), which is an aperiodic signal that changes with time;
And a stress analysis step of converting the obtained biological response signal into a frequency domain and analyzing the stress through signal analysis.
제1항에 있어서, 상기 스트레스 분석단계는,
상기 생체 반응 신호를 이산 푸리에 변환(DFT)하여 주파수영역에서 스펙트럼 밀도로 변환하는 것을 특징으로 하는 심박수변이도를 이용한 스트레스 분석방법.
The method of claim 1, wherein the stress analysis step,
Stress analysis method using the heart rate variability, characterized in that the bioreaction signal is converted to a spectral density in the frequency domain by discrete Fourier transform (DFT).
제2항에 있어서, 상기 스트레스 분석단계는,
상기 변환한 주파수 영역의 스펙트럼 밀도로부터 심박수변이도 파라미터를 추출하는 것을 특징으로 하는 심박수변이도를 이용한 스트레스 분석방법.
The method of claim 2, wherein the stress analysis step,
And a heart rate variability parameter is extracted from the converted spectral density of the frequency domain.
제3항에 있어서, 상기 스트레스 분석단계의 심박수변이도 파라미터는,
스펙트럼 밀도(PSD), 고주파(HF) 성분, 중주파(MF) 성분, 저주파(LF) 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 심박수변이도를 이용한 스트레스 분석방법.
The heart rate variability parameter of the stress analysis step is
Stress analysis method using a heart rate variability, characterized in that it comprises a spectral density (PSD), a high frequency (HF) component, a medium frequency (MF) component, a low frequency (LF) component.
제4항에 있어서, 상기 스트레스 분석단계는,
고주파수 성분에 대한 저주파수 성분의 절대전력비율(LF/HF)과, 고주파수 성분과 저주파수 성분을 합한 주파수 성분에 대한 중주파 성분의 절대전력비율(MF/(LF+HF)을 산출하고, 신호 해석을 통해 스트레스를 판단하는 것을 특징으로 하는 심박수변이도를 이용한 스트레스 분석방법.
The method of claim 4, wherein the stress analysis step,
Calculate the absolute power ratio (LF / HF) of the low frequency components to the high frequency components, and the absolute power ratio (MF / (LF + HF) of the medium frequency components to the frequency components of the high and low frequency components. Stress analysis method using the heart rate variability, characterized in that to determine the stress.
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