KR100995318B1 - 신호 검출 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신호 검출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 전력소모를 감소시키고, 부품수를 최소화시켜 소형화하고 정수형으로 신호처리하여 신호를 검출할 수 있도록 한 신호 검출 장치 및 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명은 ECG신호와 PPG신호를 감지하는 감지부; 상기 감지부를 통해 감지되는 ECG신호의 DC성분을 제거한 후, 일정크기로 증폭시켜 ECG신호를 전처리하는 ECG신호 전처리부; 상기 감지부를 통해 감지되는 PPG신호의 DC성분을 제거한 후, 일정크기로 증폭시켜 PPG신호를 전처리하는 PPG신호 전처리부; 및 상기 ECG신호 전처리부와 PPG신호 전처리부로부터 입력되는 아날로그의 ECG신호 및 PPG신호를 디지털 데이터로 변환한 후, 상기 디지털 데이터를 일정 증폭도로 증폭하고, 상기 디지털 데이터의 필터링을 위한 필터 계수를 일정 증폭도로 증폭하여 출력되는 출력값을 기 설정된 기준값과 비교하고, 그 비교결과에 따라 일정 증폭도를 결정한 후, 상기 결정된 일정 증폭도로 디지털 필터를 구현하여 상기 ECG신호와 PPG신호를 검출하도록 제어하는 마이크로컨트롤러를 포함하는 신호 검출 장치 및 방법을 제공한다.
ECG(심전도), PPG(광전용적맥파), 마이크로컨트롤러, 필터 계수, 증폭

Description

신호 검출 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING SIGNAL}
본 발명은 신호 검출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 전력소모를 감소시키고, 부품수를 최소화시켜 소형화하고 정수형으로 신호처리하여 신호를 검출할 수 있도록 한 신호 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
IT산업의 발전에 따라 유비쿼터스의 개념이 사회 여러 분야에 퍼지고 있다. 휴대폰을 이용한 TV 시청은 물론 상거래에 있어서도 제품에 대한 정보를 얻고 결제하는 것 등이 사람이 가지고 다니는 소형 단말기에 의하여 언제 어디서나 가능해 지게 되었다.
이는 의료분야에서도 마찬가지로, 점차 고령화 사회가 되어감에 따라 전자 및 기타 산업의 발전으로 인해 의료 분야의 필요성이 점점 부각되어 가고 있다.
이에, 맥박, 호흡, 체온 등 vital sign을 정확히 측정할 수 있는 고도한 기술은 의료기관에서 활용되고 있으나, 이는 크기나 무게 등을 고려하지 않고 병원 같은 의료기관에서 설치하고 사용하는 거치형 기기들을 전제로 발전되었다.
그러나, 최근들어 직접 의료기관을 방문하지 않고도 생체신호를 측정할 수 있는 초소형 생체신호 측정기기를 인체에 부착하여 항시 인체의 변화를 모니터링함과 동시에 신뢰성있게 무선 등 네트워크를 통해 측정 데이터를 헬스케어 서비스센터로 전송하여 필요한 조치를 취할 수 있는 기술까지 발전된 상태이다.
이러한 유비쿼터스 헬스 모니터링(Ubiquitous Health monitoring)이 가능하기 위해서는 먼저 인체에 생체신호 측정기기를 부착하여 활동하는데 지장을 주지 않을 수 있게 크기와 무게를 고려하여 초소형화하고, 저전압 구동이 가능하도록 하는 기술이 필요하다.
이러한 시대 흐름에 발맞추어 유비쿼터스 헬스 모니터링 등, 원격 진료를 위한 시스템 개발을 목표로 심전도(ECG: Electocardiogram, 이하 "ECG"라 표기함)와 광전용적맥파(PPG: Photo-PlethysmoGraphy, 이하 "PPG"라 표기함) 신호등을 검출하는 하드웨어의 크기를 줄이기 위해 사용하는 부품수를 최소화시키고 휴대용·저전력으로 개발하는 것이 필요하다.
이에, 생체신호 측정에 필요한 신호 처리기능을 소프트웨어로 처리하는 것이 효과적인 방법이다.
그러나, 디지털 신호처리를 위한 전용 DSP칩의 사용은 가격과 그 전용 DSP칩이 탑재되는 제품의 크기면에서 부담이 되는 문제점이 있었다. 또한 제품의 크기를 증가시킴으로 인해 휴대가 용이하지 않은 문제점이 있었다.
이에 가격과 제품의 크기를 고려하여 저능의 저가 DSP를 적용하는 경우, 연산속도의 저하로 인하여 실시간으로 생체신호를 측정하는데 있어서 정확한 결과 값 을 획득하기가 용이하지 않은 문제점이 발생한다.
따라서, 저가형 DSP를 이용하여 제품의 크기를 소형화시킴과 동시에 정확한 결과값과 함께 연산 처리속도를 향상시킬 수 있는 필요성이 대두되었다.
본 발명은 상기와 같은 필요성을 감안하여 안출된 것으로, 전력소모를 감소시키고, 부품수를 최소화시켜 소형화하여 정수형 신호를 처리하여 신호를 검출할 수 있도록 한 신호 검출 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 저가형 마이크로컨트롤러에 쉽게 적용시킬 수 있는 정수형 신호처리 알고리즘을 적용하여 신호를 검출할 수 있도록 한 신호 검출장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 신호에 따라 소프트웨어적으로 해당 신호를 검출할 수 있도록 프로그래밍하여 아날로그의 입력 신호를 소프트웨어적으로 신호처리하여 특정 신호를 검출할 수 있도록 한 신호 검출 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전력소비를 감소시키고, 연산속도를 증가시키는 정수형 필터연산의 알고리즘에 의하여 신호를 검출할 수 있도록 한 디지털 신호 처리장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 검출하고자 하는 신호를 처리하기 위해 입력 데이터 및 특정 필터계수의 에러율을 고려하여 적정값으로 증폭된 정수형 데이터를 필터링 연산에 의해 검출신호를 처리할 수 있도록 한 디지털 신호 처리장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 디지털 신호 처리장치는, 심전도(ECG)와 광전용적맥파(PPG) 신호를 측정하기 위해 ECG와 PPG의 신호를 검출하는 장치에 있어서, ECG신호와 PPG신호를 감지하는 감지부; 상기 감지부를 통해 감지되는 ECG신호의 DC성분을 제거한 후, 일정크기로 증폭시켜 ECG신호를 전처리하는 ECG신호 전처리부; 상기 감지부를 통해 감지되는 PPG신호의 DC성분을 제거한 후, 일정크기로 증폭시켜 PPG신호를 전처리하는 PPG신호 전처리부; 및 상기 ECG신호 전처리부와 PPG신호 전처리부로부터 입력되는 아날로그의 ECG신호 및 PPG신호를 디지털 데이터로 변환한 후, 상기 디지털 데이터를 일정 증폭도로 증폭하고, 상기 디지털 데이터의 필터링을 위한 필터 계수를 일정 증폭도로 증폭하여 출력되는 출력값을 기 설정된 기준값과 비교하고, 그 비교결과에 따라 일정 증폭도를 결정한 후, 상기 결정된 일정 증폭도로 디지털 필터를 구현하여 상기 ECG신호와 PPG신호를 검출하도록 제어하는 마이크로컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 마이크로컨트롤러는, 상기 ECG신호의 필터연산을 디지털로 처리하는 정수형 필터 연산 알고리즘의 노치 필터(power noise notch reject filter)와 저역통과필터의 필터링 동작을 수행하여 ECG신호를 검출하는 알고리즘과, 상기 PPG신호의 필터연산을 디지털로 처리하는 정수형 필터 연산 알고리즘의 저역통과필 터의 필터링 동작을 수행하여 PPG신호를 검출하는 알고리즘이 저장되는 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 마이크로컨트롤러는, 상기 구현된 디지털 필터에 의해 상기 필터계수의 증폭과 상기 디지털로 변환된 ECG신호 및 PPG신호의 데이터를 증폭시켜 획득되는 출력값을 기 설정된 기준값과 비교하여 오차를 측정하고, 그 측정된 오차가 기 설정된 기준 오차를 만족할 때까지 상기 필터계수와 데이터를 증폭하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 오차는, 하기의 수학식을 통해서 계산되는 것을 특징으로 한다.
(수학식)
Figure 112009018760656-pat00001
여기서, 소수형 y(k)는 기존의 메트랩과 같은 상용프로그램이나 library를 이용한 소수형 계산으로 구한 필터의 출력으로 기준값이 되는 것이며, 정수형 y(k)는 본 발명에서 제시하는 알고리즘에 의하여 계산된 필터의 출력값이다. p는 샘플 개수를 의미한다.
여기서, 상기 출력값을 상기 데이터의 증폭도와 상기 디지털 데이터의 증폭도로 나누어 ECG신호와 PPG신호를 검출하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기 설정된 기준값은 감지된 ECG신호와 PPG신호에 대해 메트 랩(MATLAB)이나 부동소수점 library를 이용하여 획득된 ECG신호와 PPG신호의 결과값인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 검출된 ECG신호와 PPG신호를 무선으로 전송하는 무선통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 무선통신부는, 무선 지그비(ZigBee)통신, 블루투스(Bluetooth)통신 및 적외선(IrDA)통신 방식중 어느 하나의 통신방식을 이용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 일정 증폭도는 상기 필터 계수와 상기 디지털 데이터의 소수점 이하의 비트를 소수점 기준으로 좌측으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 디지털 신호 처리방법은, 측정 대상자의 심전도(ECG)와 광전용적맥파(PPG)에 대한 ECG신호와 PPG신호중 어느 하나를 감지하는 단계; 감지된 아날로그의 ECG신호 및 PPG신호를 디지털 데이터로 변환한 후, 상기 디지털 데이터와 상기 디지털 데이터의 필터링을 위한 필터 계수를 일정 증폭도로 증폭하여 출력되는 출력값을 기 설정된 기준값과 비교하고, 그 비교결과에 따라 일정 증폭도를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 일정 증폭도로 디지털 필터를 구현하여 상기 ECG신호와 PPG신호를 검출하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 일정 증폭도를 결정하는 단계는, 정수형 필터연산으로 필터계수와 샘플링 주파수를 고려하여 해당 필터 계수의 증폭도를 증가시키며 획득되는 출력값과 제1 기준값의 제1 오차를 계산하여 상기 제1 오차가 제1 기준 오차보다 작을때까지 상기 필터 계수의 증폭도를 증가시키는 단계; 및 상기 제1 오차가 제1 기준 오차보다 작으면, 상기 디지털 데이터의 증폭도를 증가시키며 획득되는 출력값과 제2 기준값의 제2 오차를 계산하여 상기 제2 오차가 제2 기준 오차보다 작을 때까지 상기 데이터의 증폭도를 증가시키는 단계를 포함하되, 상기 제1 기준오차보다 작을때의 필터 계수의 증폭도와 상기 제2 기준 오차보다 작을 때의 상기 데이터의 증폭도를 상기 일정 증폭도로 결정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1, 제2 기준값과 상기 제1, 제2 기준 오차는 기존의 상용 메트랩(MATLAB) 프로그램이나 부동소수점연산 library 같은 소수형 방법을 이용하여 획득되어 기 저장되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 일정 증폭도는, 상기 필터 계수와 상기 디지털 데이터의 소수점 이하의 비트를 소수점 기준으로 좌측으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 ECG신호와 PPG신호를 검출하도록 제어하는 단계는, 상기 결정된 일정 증폭도로 디지털 필터를 구현하여 검출되는 상기 ECG신호와 PPG신호의 출력값을 상기 일정 증폭도로 나누어 ECG신호와 PPG신호를 검출하는 것을 특징으로 한다.
전술한 과제해결 수단에 의해 본 발명은 시스템 혹은 측정하고자 하는 신호의 특성상 정확도를 우선시 하는 경우와 처리 속도를 우선시 하는 경우 등을 고려하여 숫자연산의 유효숫자 자리를 증가(증폭)시키거나, 처리 속도를 중시하는 경우 에는 오차허용 범위 내에서 증폭율을 증폭시킬 수 있도록 함으로써, 시스템에 따라 다양하게 디지털 필터를 설계할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한 저가형 마이크로컨트롤러를 이용하여 디지털 정수형 필터 연산을 수행하도록 함으로써, 신호 검출장치가 소형화되어 휴대가 용이한 효과와 아울러, 저전력으로 동작이 가능한 효과가 있다.
또한 검출하고자 하는 신호의 특성을 고려하여 디지털 필터를 설계함으로써, 시스템에 따라 다양하게 가변되어 신호 검출장치를 적용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 설명한다.
하기의 설명에서 본 발명의 디지털 신호 처리장치 및 방법의 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있는데, 이들 특정 상세들 없이 또한 이들의 변형에 의해서도 본 발명이 용이하게 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
한편 본 발명의 신호 검출장치 및 방법은 측정하고자 하는 대상의 입력데이터를 처리하는 최소한의 아날로그 회로를 구비하고, 그 아날로그 회로로부터 출력되는 입력데이터를 에러율을 고려하여 소정 증폭하고, 그 소정 증폭된 입력데이터에 대해 디지털 필터 연산을 수행하여 출력데이터로 신호를 검출한다. 이때 필터 연산 이전에 디지털 필터 계수의 에러율을 고려하여 디지털 필터 계수와 입력데이터를 소정 증폭시켜 필터연산을 통해 획득되는 결과값을 입력데이터의 소정 증폭도로 감소시켜 저가형 마이크로컨트롤러가 사용하는 정수형 bit 수 만큼의 최상위 bit 정보를 사용할 수 있도록 하는 기술적 구성을 제안한다. 여기서 디지털 필터계수와 입력데이터를 소정 증폭한다는 것은 유효 자리수를 증가시키기 위한 것으로, 소수 이하의 bit수를 좌측(bit left shift)으로 이동시키는 것을 의미하며, 이는 이하에서도 동일한 의미로 사용될 것이다. 또한 소정 증폭도로 감소시킨다는 것은 출력 데이터를 입력 데이터 증폭도로 나누어주는 것으로, bit수를 우측(bit right shift)으로 이동시키는 것을 의미하며, 이는 이하에서도 동일한 의미로 사용될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신호 검출장치를 설명하기 위한 구성도이다. 여기서 도 1은 본 발명의 이해를 돕고자 심전도(Electrocardiogram: ECG, 이하 "ECG"라 약칭함)와 광전용적맥파(Photo-PlethysmoGraphy: PPG, 이하 "PPG"라 약칭함)를 검출하는 생체신호 검출 장치에 적용된 디지털 신호 처리장치를 일예로 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 생체신호 검출 장치(100)는 ECG측정 전극(Electrode)(10)과, ECG신호 전처리부(20)와, LED 센서(30)와, PPG신호 전처리부(40)와, 마이크로컨트롤러(50) 등을 포함하여 구성된다. 여기서 ECG측정 전극(Electrode)(10)과 LED 센서(30)는 각각 ECG신호와 PPG신호를 감지하는 감지부가 된다.
우선, Electrode(10)는 2개 이상의 전극으로 이루어져 ECG 측정 대상자의 신체의 일부에 부착되거나 띠를 통해 부착되어, ECG의 관련 정보로 ECG신호를 감지한다.
ECG신호 전처리부(20)는 계측용 증폭기(Instrumentation Amplifier: IA, 이하 "IA"라 약칭함)(21)와, 고역통과필터(HPF)(23)와, 증폭기(Amplifier)(25)를 포함한다. 그래서 ECG신호 전처리부(20)는 Electrode(10)를 통해 감지되는 ECG신호를 높은 CMRR(동상제거비, Common-Mode Rejection Ratio)값을 갖는 IA(21)를 이용해서 증폭하고, HPF를 이용하여 DC성분이 제거된 ECG신호를 획득한 후, 그 획득한 ECG신호를 일정크기로 증폭시켜 ECG신호를 전처리하는 동작을 수행한다.
LED 센서(30)는 심장박동에 관련된 PPG 정보로 PPG신호를 감지한다. 이때 LED 센서(30)는 인체에 빛을 조사시켜 반사되거나 투과된 빛을 측정하여 PPG신호를 추출한다.
PPG신호 전처리부(40)는 고역통과필터(HPF)(41)와, 증폭기(Amplifier)(43)를 포함한다. 그래서 PPG신호 전처리부(40)는 LED 센서(30)를 통해 감지되는 PPG신호중 DC성분을 제거하여 획득되는 PPG신호를 일정크기로 증폭시켜 PPG신호를 전처리하는 동작을 수행한다.
마이크로컨트롤러(50)는 저가형 디지털 신호 처리부로서, ECG신호 전처리부(20)로부터 출력되는 아날로그의 ECG신호를 입력받아 일정 샘플링주파수(일예로, 300Hz)로 일정 bit(일예로, 8bit)의 디지털 정수형 필터연산을 수행하여 생체신호를 검출할 수 있도록 하는 전반적인 동작을 제어한다. 이를 위해 마이크로컨트롤 러(50)에는 생체신호 검출을 위한 전반적인 프로그램들과 함께 필터연산을 디지털 처리할 수 있도록 하기 위한 정수형 필터연산 알고리즘의 프로그램들이 저장되는 메모리가 구비된다.
즉, 아날로그의 ECG신호를 디지털 필터로 구현하여 ECG신호를 검출할 수 있도록 노치 필터(power noise notch reject filter)(51)와 저역통과필터(LPF)(53)의 동작을 수행하는 알고리즘이 메모리에 저장된다.
또한 마이크로컨트롤러(50)는 PPG신호 전처리부(40)로부터 출력되는 아날로그의 PPG신호를 입력받아 일정 bit의 정수형 필터연산을 수행하여 생체신호를 검출할 수 있도록 하는 전반적인 동작을 제어한다. 이를 위해 마이크로컨트롤러(50)에는 이에 대한 프로그램들이 전술한 메모리에 함께 저장된다. 즉, 아날로그의 PPG신호를 디지털 필터로 구현하여 PPG신호를 검출할 수 있도록 저역통과필터(LPF)(55)의 동작을 수행하는 알고리즘이 메모리에 저장된다. 여기서 power noise notch reject filter(51)와 LPF(53, 55)는 디지털 필터의 구현에 있어, FIR(finite impulse response) 필터에 비해 같은 차단주파수(cutoff frequency)를 적은 연산량과 메모리로 구현할 수 있는 IIR(infinite impulse response) 필터가 바람직할 수 있다. 이때 빠른 연산에 비해 정확성에 가중치를 부여하여 신호를 검출하고자 하는 경우에는 2차 IIR필터를 채택하고, 정확성보다는 빠른 연산에 가중치를 부여하여 신호를 검출하고자 하는 경우에는 3차 IIR필터를 채택할 수 있다.
그러나, 빠른 연산과 정확성에 따른 2개의 조건을 동시에 만족시키고자 할 경우에는 2차 IIR필터를 채택함이 바람직하다.
또한 마이크로컨트롤러(50)에는 ECG신호와 PPG신호에 대한 정수형 필터 연산을 수행하여 정확한 ECG신호와 PPG신호를 검출(측정)할 수 있도록 MATLAB을 이용하여 소수형 필터연산 수행시 출력되는 출력값을 기준값으로 메모리에 저장한다. 그래서 마이크로컨트롤러(50)는 기준값과 정수형 필터연산의 오차를 계산하고, 그 계산된 오차가 기 설정된 기준오차를 만족하는 경우의 증폭도를 적용하여 ECG신호와 PPG신호를 검출할 수 있도록 제어한다.
이러한 마이크로컨트롤러(50)의 동작에 따라 PPG신호와 ECG신호를 검출하는 과정을 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
상세한 설명에 앞서, ECG신호를 검출하는 동작과 PPG신호를 검출하고자 정수형 필터연산을 수행하는 동작이 동일하므로, 본 발명에서는 4.8Hz의 cutoff frequency를 갖는 LPF의 디지털 신호 처리를 수행하여 PPG신호를 검출하는 동작을 위주로 설명하도록 한다.
우선, 마이크로컨트롤러(50)는 저가형으로서, 예컨대 8bit 원칩 마이크로컨트롤러를 기반으로 한 소형 저전력 생체신호 모니터에 적용할 수 있다. 마이크로컨트롤러(50)에는 정확한 ECG신호와 PPG신호를 검출할 수 있도록 하는 정수형 필터의 연산 알고리즘이 저장된다. 이때 ECG신호 검출을 위한 정수형 필터의 연산 알고리즘은 power noise notch reject filter(51)와 LPF(53)에 저장되고, PPG신호 검출을 위한 정수형 필터의 연산 알고리즘은 LPF(55)에 저장된다.
그래서, PPG신호를 검출하고자 PPG 모드를 실행하면, 앞서 기술한 PPG신호 전 처리부(40)를 통해 출력되는 PPG신호에 해당하는 8bit 정수의 데이터를 LPF(55) 가 입력받는다.
그러면, 마이크로컨트롤러(50)는 LPF(55)에 저장되는 정수형 필터 연산 알고리즘을 이용하여 필터계수를 증폭시키며, 입력 데이터도 함께 증폭시킨다. 본 알고리즘을 통한 과정을 자세히 살펴보면 다음과 같다.
어떠한 종류의 디지털 필터에도 본 알고리즘을 적용할 수 있지만, 소요 메모리가 적고 계산 속도가 빠른 아래 수학식 1과 같은 2차 IIR 필터를 ECG와 PPG의 신호처리하는데 적용해 보겠다.
Y(z)=b0X(z)+b1X(z)Z-1+b2X(z)Z-2-a1Y(z)Z-1-a2Y(z)Z-2
여기서, Y(z)는 출력 데이터, X(z)는 입력 데이터, X(z)Z-1은 한 샘플전 입력 데이터, X(z)Z-2는 두 샘플전 입력 데이터, Y(z)Z-1은 한 샘플전에 출력된 데이터, Y(z)Z-2는 두 샘플전에 출력된 데이터, a0, a1, b0, b1, b2는 소수형 필터계수이다. 표 1은 ECG와 PPG 신호처리에 사용된 필터 계수 값을 제시해 주고 있다.
b0 b1 b2 a1 a2
4.8Hz LPF 0.002357208772852 0.004714417545705 0.002357208772852 -1.858043298700259 0.867472133791668
35Hz LPF 0.087179083712479 0.174358167424959 0.087179083712479 -1.008921623964991 0.357637958814908
60Hz-band 10Hz notch 0.983605064185844 -0.607901361173374 0.983605064185844 -0.607901361173374 0.967210128371688
PPG신호 처리에 사용되는 LPF(55)의 cutoff frequency는 일반적으로 4.8Hz이며, 이를 구현할 경우 상기 표1을 참조하면, 2차 IIR 필터의 계수는 bo=0.0023572, b1=0.0047144, b2=0.0023572, a1=-1.8580432, a2=0.8674721가 됨을 알 수 있다. 이에 따라 필터 계수의 해당 비트를 좌측으로 쉬프트 시키며 필터 계수를 증폭시킬 수 있다.
여기서 입력 데이터의 증폭연산은 아래의 수학식 2을 통해 이루어진다.
P(z)= 2m X(z)
Q(z)=b0P(z)+b1P(z)Z-1+b2P(z)Z-2-a1Q(z)Z-1-a2Q(z)Z-2
여기서, P(z)는 증폭된 입력 data, 2m은 데이터 증폭도, Q(z)는 증폭된 입력 data로 연산된 결과, P(z)Z-1은 한샘플 전의 증폭된 입력 data, P(z)Z-2는 2샘플 전의 증폭된 입력 data, b0, b1, b2는 입력 data에 곱해지는 소수형 계수를 의미한다.
그 다음, 필터계수와 데이터를 모두 증폭시키는 경우 마이크로컨트롤러(50)는 아래의 수학식 3을 통해 필터 연산을 수행한다. 임의의 비트 수의 입출력 데이터를 처리하는 것이 가능하지만 본 예시에서는 8 비트를 예로 설명해 보겠다.
2(n+m) ×b0= D0 , 2(n+m) ×b1= D1 , 2(n+m) ×b2= D2
2n × a1= A1 , 2n × a2= A2
Q(z)=(D0X(z)+D1X(z)Z-1+D2X(z)Z-2-A1Q(z)Z-1-A2Q(z)Z-2)/ 2n
여기서, Q(z)는 출력 데이터, X(z)는 입력 데이터, X(z)Z-1은 한 샘플전 입력 데이터, X(z)Z-2는 두 샘플전 입력 DATA, Q(z)Z-1은 한 샘플전에 출력된 데이터, Q(z)Z-2는 두 샘플전에 출력된 8bit 데이터, b0, b1, b2는 입력 데이터에 곱해지는 소수형 계수, D0, D1, D2는 입력 데이터에 곱해지는 증폭된 정수형 계수(data증폭도, 계수증폭도), a0, a1은 이전에 출력된 data에 곱해지는 소수형 계수, A1, A2 이전에 출력된 데이터에 곱해지는 증폭된 정수형 계수(계수증폭도)를 의미한다.
수학식 3의 마지막 줄의 식은, 필터연산을 통해 획득되는 출력 데이터를 필 터 계수의 증폭도 ( 2n )로 나누어주는 연산을 의미한다.
이후, 샘플링 주파수, 필터계수 등을 고려하여 지속적으로 입력 데이터와 필터계수를 증폭시켜 획득되는 정수형 필터 연산의 알고리즘의 최종 8bit 출력 데이터와 library를 이용하는 부동 소수점 연산에 의해 획득되는 기준값과의 오차가 기준 오차 범위(일예로, 0<error<1)내에 존재하거나, 기준 오차(일예로, 1)보다 작을때까지 입력데이터 증폭도를 고정시키고 필터계수 증폭도 증가시키고, 필터계수의 적정 증폭도를 찾은다음 입력 데이터 증폭도를 증가시켜 ECG신호 또는 PPG신호에 대한 최종 8bit 출력 데이터를 획득할 수 있도록 한다. 여기서 정수형 필터 연산의 알고리즘의 최종 8bit 출력 데이터와 library를 이용하는 부동 소수점 연산에 의해 획득되는 최종 출력 데이터와의 오차는 아래의 수학식4를 통해 계산할 수 있다.
Figure 112009018760656-pat00002
여기서, 소수형 y(k)는 기존의 메트랩과 같은 상용프로그램이나 library를 이용한 소수형 계산으로 구한 필터의 출력으로 기준값이 되는 것이며, 정수형 y(k)는 본 발명에서 제시하는 알고리즘에 의하여 계산된 필터의 출력값이다. p는 샘플 개수를 의미한다.
그러나, 검출하고자 하는 신호의 특성 즉, 연산속도과 정확성을 고려하여 기 준 오차값, 기준 오차범위 및 대소 판단의 기준을 변경할 수도 있다.
필터계수와 입력데이터의 증폭도를 증가시키며 반복수행한다는 것은, 1주기 연산을 반복수행하는 것을 의미하는 것으로, 1주기 연산은 1개의 데이터가 마이크로컨트롤러(50)의 LPF(55)에 입력될때마다 필터연산을 수행하는 것을 의미한다.
이에, 필터 계수의 정수화와 입력 데이터의 정수화는 서로 상이한 것으로, 도 2와 같이 필터 계수의 정수화는 1샘플 연산마다 필터 계수 정수화에 의해 증폭된 출력 데이터값을 원상태로 줄여 피드백시켜주고, 입력 데이터 정수화 연산과정은 입력 데이터를 증폭된 상태에서 매 샘플마다 연산후 피드백 시킨다.
증폭된 입력 데이터는 피드백과 별개로 출력 직전에 입력 데이터 증폭도로 나누어 준다.
즉, 필터계수의 정수화와 달리 입출력 데이터의 정수화 과정은 처리과정의 모든 데이터 bit수(즉, 데이터 크기)가 증가하는 것으로, 출력데이터뿐만 아니라 다음 처리 단계를 위한 입력 데이터의 저장공간이 증가한다. 이에, 출력 데이터를 정수화시키기 위해 2m을 나누어 주게 되는데, 이때는 bit를 우측으로 쉬프트(right shift)시키면 된다. 이는 아래의 수학식 5를 이용하여 최종 8 bit 출력 데이터를 획득할 수 있다.
Y(z)=Q(z)/2m
여기서, Y(z)는 최종 8bit 출력 데이터를, Q(z)는 정수형 필터 연산에서 필 요한 8bit이상의 피드백 출력 data를 의미하며, 2m은 입출력 데이터의 증폭도를 의미한다.
한편, 입력 데이터를 어느 정도로 증폭시켜 정수화시켜야 하는 문제를 분석하기 위하여 필터 계수는 최대 증폭도(220)를 적용시켜 필터 계수에 의한 연산 오차의 문제가 없는 상태에서 실시하였다.
이후, 데이터 증폭도를 증가시켜 가면서 정수형 연산의 오차를 분석해본 결과 표 2와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
표 2를 보면, 이미 필터 계수를 20bit 시프트한 다음이라 35Hz를 cutoff로 갖는 ECG의 LPF의 경우에는 입출력값을 시프트 시키지 않은 상태에서도 MATLAB을 이용한 부동소수점 연산에 따른 실제 ECG신호의 검출결과값과의 오차가 소수점 이하임을 알 수 있다. 그러나, 4.8Hz를 cutoff frequency로 갖는 PPG의 LPF의 경우 필터계수의 정수화만으로는 정확한 계산을 할 수 없음을 알 수 있다.
이에 입출력 데이터 값을 최소 25로 증폭시켜야만 오차가 소수점 이하로 떨어지는 것을 알 수 있다.
　 35Hz LPF-ECG(필터계수 20bit shift) 4.8Hz LPF-PPG(필터 계수 20bit shift)
증폭률
(bit shift)		 임펄스 입력시 오차 실제 ECG
신호처리 시 오차		 임펄스 입력시 오차 실제 PPG
신호처리 시 오차
0 0.049296 0.36651 1212.8 683.15
1 0.014085 0.28599 307.49 148.08
2 0.0070423 0.14873 89.514 17.862
3 0 0.072407 14.085 1.4182
4 0 0.041096 2.4225 0.26144
5 0 0.020967 0.61972 0.15145
6 0 0.010623 0.61972 0.068775
7 0 0.0050321 0.06338 0.030673
8 0 0.0019569 0.042254 0.020369
9 0 0.00083869 0.014085 0.010784
10 0 0.00055913 0.0070423 0.0083873
11 0 0.00027956 0 0.0076683
12 0 0 0.0070423 0.0083873
13 0 0 0 0.0081476
14 0 0 0 0.0083873
15 0 0 0 0.0081476
16 0 0 0 0.0083873
17 0 0 0 0.0083873
18 0 0 0 0.0083873
19 0 0 0 0.0083873
20 0 0 0 0.0083873
이에, 본 발명에 따른 신호 검출 장치는 적정 증폭도를 연산 데이터 오차가 급격히 소수점 이하로 떨어져서 계산값의 오차가 소수 첫째 자리까지 '0'인 것으로 설정한다.
입력이나 출력의 변수를 정수화하는 과정에서는 모든 데이터의 크기가 커지는 문제점을 방지하기 위하여 필터계수의 정수화에 의해 증폭(2n)된 계수 중 입력 데이터에 대한 계수를 데이터 정수화 증폭도(2m)로 곱해주는 방법을 사용한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 검출 방법을 보인 흐름도이다. 여기서 도 3은 ECG신호와 PPG신호를 검출하는 생체신호 검출장치에 적용된 신호 검출장치를 일예로 설명한다.
도 3을 참조하면, 우선, 생체신호 검출장치(100)는 ECG측정 전극(10)과 LED센서(30)를 통해 측정 대상자의 ECG신호와 PPG신호중 하나를 감지한다(S301).
이후, 생체신호 검출장치(100)는 ECG신호와 PPG신호중 감지된 하나의 아날로그 신호를 디지털로 처리하기 위해 신호 전처리 과정을 수행한다(S303). 여기서 신호 전처리 과정은 해당 ECG신호와 PPG신호중 일정 주파수대역의 신호만을 추출하고, 일정크기로 증폭하는 과정을 수행한다.
생체신호 검출장치(100)는 신호 전처리 과정을 통한 아날로그의 ECG신호와 PPG신호중 어느 하나의 신호를 디지털로 변환하기 위해 ECG신호와 PPG신호를 아날로그 신호를 디지털로 처리할 수 있는 해당 필터의 cutoff frequency와 일정 샘플링 주파수를 고려하여 해당 필터 계수의 증폭도(2n)를 1씩 증가시킨다(S305). 즉, 필터 계수의 증폭도를 증가시킨다는 것은 필터의 계수가 소수값으로 표시되므로, 소수이하의 숫자를 유효화시켜 정확하게 ECG신호와 PPG신호를 검출할 수 있도록 필터 계수의 소수점 이하의 bit를 1씩 증가시키기 위해 소수점을 기준으로 좌측으로 쉬프트(left shift)시키는 것을 의미한다.
이는 정수형 필터 연산과정시 해당 필터 계수의 유효자리를 증가시키기 위한 것이며, 이에 따라 ECG신호, PPG신호를 정확히 검출할 수 있게된다.
이후, 생체신호 검출장치(100)는 MATLAB이나 부동소수점 library 프로그램을 이용하여 소수형 필터연산 수행시 획득되는 정확한 출력값과 305단계(S305)를 통해 정수형 필터 연산을 수행하여 획득되는 결과값을 비교하여 오차를 계산한다(S307). 여기서 MATLAB를 이용한 소수형 필터 연산수행시 획득되는 정확한 출력값은 기 저장되어야 한다.
그래서 생체신호 검출장치(100)는 계산된 오차값이 제1 기준 오차값보다 작은지를 판단한다(S309).
판단결과 계산된 오차값이 제1 기준 오차값보다 크면, 생체신호 검출장치(100)는 305단계로 복귀하여 제1 기준 오차값보다 작을때까지 필터 계수의 증폭도를 1씩 증가시키는 과정을 반복수행한다.
그러나, 판단결과 계산된 오차값이 제1 기준 오차값보다 작으면, 생체신호 검출장치(100)는 감지된 ECG신호와 PPG신호중 어느 하나에 해당하는 입력 데이터의 증폭도(2m)를 1씩 증가시킨다(S311). 즉, 데이터의 증폭도를 증가시킨다는 것은 데이터의 숫자를 유효화시켜 정확하게 ECG신호와 PPG신호를 검출할 수 있도록 소수점 이하의 bit를 1씩 증가시키기 위해 소수점을 기준으로 좌측으로 쉬프트 시키는 것을 의미한다.
이후, 생체신호 검출장치(100)는 MATLAB을 이용하여 소수형 필터연산 수행시 획득되는 정확한 출력값과 311단계(S311)를 통해 정수형 연산을 수행하여 획득되는 결과값을 비교하여 오차를 계산한다(S313).
그래서 생체신호 검출장치(100)는 계산된 오차값이 제2 기준 오차값보다 작은지를 판단한다(S315).
판단결과 계산된 오차값이 제2 기준 오차값보다 크면, 생체신호 검출장치(100)는 311단계로 복귀하여 제2 기준 오차값보다 작을때까지 입력 데이터의 증폭도를 1씩 증가시키는 과정을 반복수행한다.
그러나, 판단결과 계산된 오차값이 제2 기준 오차값보다 작으면, 생체신호 검출장치(100)는 필터 계수의 증폭과 입력 데이터 증폭을 통해 획득되는 결과값을 입력 데이터의 증폭도(2m)와 필터 계수의 증폭도(2n)로 나눗셈연산한다(S317).
이후, 생체신호 검출장치(100)는 입력데이터의 증폭도(2m)와 필터 계수의 증폭도(2n)에 해당하는 증폭도 정보를 이용하여 디지털 정수형 필터 연산의 프로그램을 셋팅함으로써, 정확하게 ECG신호와 PPG신호를 검출한다(S319).
따라서, 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 신호 검출장치 및 방법은 헬스모니터에 적용되어 소형화 제품으로 양산될 수 있다. 이때, 저가형 마이크로컨트롤러(i8052, ADuC842, AVR, 기타 등)를 사용할 수 있으며, 헬스모니터에 추가로 무선 지그비(ZigBee)통신, 블루투스통신, 적외선통신 등과 같은 통신네트워크 기능을 추가하여 측정된 생체신호를 무선으로 전송할 수도 있다.
본 발명에 따른 정수형 알고리즘은 ADuC842내에서 library를 사용한 floating 연산과도 비교하였듯이, 헬스모니터에서 측정된 신호처리되기 전의 ECG와 PPG를 PC로 송신(UART)하여, MATLAB을 이용하여 정확한 계산값을 구했고 이를 참고치로 할 수 있도록 마이크로컨트롤러에 저장하였다.
본 발명에 따른 신호 검출장치의 계산 속도를 살펴보면 library를 이용한 floating 연산 속도는 320 ㅅsec이었으나, 본 발명에서 제안하는 정수형 알고리즘은 160 ㅅsec로 속도로 개선되었음을 알 수 있다.
정수형 필터의 오차가 낮다는 점은 생체신호를 이용한 주기검출 및 기타 알고리즘을 적용할 시 더욱 정확한 값들을 얻을 수 있으며, 에러를 조정하여 필터 연산 처리속도를 더욱 높일 수 있는 장점을 가지고 있다.
즉, 정수화시 증폭도를 좀 더 낮추게 되면 오차는 증가하지만 연산속도를 더욱 감소시킬 수 있다.
이러한 결과를 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 신호 검출장치 및 방법은 필터의 정수형 과정에서 적정 증폭도를 알아낸 뒤 이에 따른 정수형 필터 연산을 수행하여 저성능 마이크로컨트롤러에서의 연산 처리속도 개선과 함께 소비전력을 감소시키게 된다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신호 검출장치를 설명하기 위한 구성도.
도 2는 도 1에 있어, 마이크로컨트롤러의 동작을 설명하기 위한 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 검출 방법을 보인 흐름도.

Claims (14)

  1. 심전도(ECG)와 광전용적맥파(PPG) 신호를 측정하기 위해 ECG와 PPG의 신호를 검출하는 장치에 있어서,
    ECG신호와 PPG신호를 감지하는 감지부;
    상기 감지부를 통해 감지되는 ECG신호의 DC성분을 제거한 후, 일정크기로 증폭시켜 ECG신호를 전처리하는 ECG신호 전처리부;
    상기 감지부를 통해 감지되는 PPG신호의 DC성분을 제거한 후, 일정크기로 증폭시켜 PPG신호를 전처리하는 PPG신호 전처리부; 및
    상기 ECG신호 전처리부와 PPG신호 전처리부로부터 입력되는 아날로그의 ECG신호 및 PPG신호를 디지털 데이터로 변환한 후, 상기 디지털 데이터를 일정 증폭도로 증폭하고, 상기 디지털 데이터의 필터링을 위한 필터 계수를 일정 증폭도로 증폭하여 출력되는 출력값을 기 설정된 기준값과 비교하고, 그 비교결과에 따라 일정 증폭도를 결정한 후, 상기 결정된 일정 증폭도로 디지털 필터를 구현하여 상기 ECG신호와 PPG신호를 검출하도록 제어하는 마이크로컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 검출 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러는,
    상기 ECG신호의 필터연산을 디지털로 처리하는 정수형 필터 연산 알고리즘의 노치 필터(notch filter)와 저역통과필터의 필터링 동작을 수행하여 ECG신호를 검출하는 알고리즘과, 상기 PPG신호의 필터연산을 디지털로 처리하는 정수형 필터 연산 알고리즘의 저역통과필터의 필터링 동작을 수행하여 PPG신호를 검출하는 알고리즘이 저장되는 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 검출 장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러는,
    상기 구현된 디지털 필터에 의해 상기 필터계수의 증폭과 상기 디지털로 변환된 ECG신호 및 PPG신호의 데이터를 증폭시켜 획득되는 출력값을 기 설정된 기준값과 비교하여 오차를 측정하고, 그 측정된 오차가 기 설정된 기준 오차를 만족할 때까지 상기 필터계수와 데이터를 증폭하는 것을 특징으로 하는 신호 검출 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 오차는, 하기의 수학식을 통해서 계산되는 것을 특징으로 하는 신호 검출 장치.
    (수학식)
    Figure 112009018760656-pat00003
    여기서, 소수형 y(k)는 메트랩(MATLAB) 혹은 library를 이용한 소수형 계산으로 구한 필터의 출력으로 기준값을 의미하고, 정수형 y(k)는 정수형 필터 연산 알고리즘에 의하여 계산된 필터의 출력값을 의미하며, p는 샘플 개수를 의미함.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 출력값을 상기 데이터의 증폭도와 상기 디지털 데이터의 증폭도로 나누어 ECG신호와 PPG신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 신호 검출 장치.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 기 설정된 기준값은 감지된 ECG신호와 PPG신호에 대해 메트랩(MATLAB) 혹은 부동소수점연산 library를 이용한 소수형 계산을 이용하여 획득된 ECG신호와 PPG신호의 결과값인 것을 특징으로 하는 신호 검출 장치.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 검출된 ECG신호와 PPG신호를 무선으로 전송하는 무선통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 검출 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 무선통신부는,
    무선 지그비(ZigBee)통신, 블루투스(Bluetooth)통신 및 적외선(IrDA)통신 방 식 중 어느 하나의 통신방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 신호 검출 장치.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 일정 증폭도는 상기 필터 계수와 상기 디지털 데이터의 소수점 이하의 비트를 소수점 기준으로 좌측으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 신호 검출 장치.
  10. 측정 대상자의 심전도(ECG)와 광전용적맥파(PPG)에 대한 ECG신호와 PPG신호중 어느 하나를 감지하는 단계;
    감지된 아날로그의 ECG신호 및 PPG신호를 디지털 데이터로 변환한 후, 상기 디지털 데이터와 상기 디지털 데이터의 필터링을 위한 필터 계수를 일정 증폭도로 증폭하여 출력되는 출력값을 기 설정된 기준값과 비교하고, 그 비교결과에 따라 일정 증폭도를 결정하는 단계;
    상기 결정된 일정 증폭도로 디지털 필터를 구현하여 상기 ECG신호와 PPG신호를 검출하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 검출 방법.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 일정 증폭도를 결정하는 단계는,
    정수형 필터연산으로 필터계수와 샘플링 주파수를 고려하여 해당 필터 계수 의 증폭도를 증가시키며 획득되는 출력값과 제1 기준값의 제1 오차를 계산하여 상기 제1 오차가 제1 기준 오차보다 작을 때까지 상기 필터 계수의 증폭도를 증가시키는 단계; 및
    상기 제1 오차가 제1 기준 오차보다 작으면, 상기 디지털 데이터의 증폭도를 증가시키며 획득되는 출력값과 제2 기준값의 제2 오차를 계산하여 상기 제2 오차가 제2 기준 오차보다 작을 때까지 상기 데이터의 증폭도를 증가시키는 단계를 포함하되,
    상기 제1 기준오차보다 작을때의 필터 계수의 증폭도와 상기 제2 기준 오차보다 작을때의 상기 데이터의 증폭도를 상기 일정 증폭도로 결정하는 것을 특징으로 하는 신호 검출 방법.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 제1, 제2 기준값과 상기 제1, 제2 기준 오차는 메트랩(MATLAB) 혹은 부동소수점연산 library를 이용한 소수형 계산을 이용하여 획득되어 기 저장되는 것을 특징으로 하는 신호 검출 방법.
  13. 제10 항에 있어서, 상기 일정 증폭도는, 상기 필터 계수와 상기 디지털 데이터의 소수점 이하의 비트를 소수점 기준으로 좌측으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 신호 검출 방법.
  14. 제10 항에 있어서, 상기 ECG신호와 PPG신호를 검출하도록 제어하는 단계는,
    상기 결정된 일정 증폭도로 디지털 필터를 구현하여 검출되는 상기 ECG신호와 PPG신호의 출력값을 상기 일정 증폭도로 나누어 ECG신호와 PPG신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 신호 검출 방법.
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