KR101205068B1

KR101205068B1 - Method and system for measuring oxygen saturation

Info

Publication number: KR101205068B1
Application number: KR1020110044281A
Authority: KR
Inventors: 박영철; 이근상; 김영식; 김태군; 김광민; 여민아
Original assignee: 주식회사 메디칼써프라이
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2012-11-26
Also published as: KR20120126473A

Abstract

본 발명은 산소 포화도 연산 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 (1) IR, RED 신호를 각각 FFT(Fast Fourier transform, 고속 푸리에 변환)하는 단계, (2) FFT한 결과 중에, 움직임 노이즈 주파수 성분을 제외한, PPG 신호(photoplethysmographic signal, 광혈류 측정 신호)의 원천 주파수(Fundamental Frequency) 성분 및 그에 해당하는 고조파(Harmonics) 성분을 찾아내는 단계, 및 (3) 상기 단계 (2)에서 찾아낸 원천 주파수 성분 및 그에 해당하는 고조파 성분에서 IR 와 RED 성분의 비율을 연산하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 산소 포화도 측정 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 FFT 모듈, 주파수 성분 분석 모듈, 및 산소 포화도 측정 모듈을 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법 및 시스템에 따르면, 피크 지점 검출을 이용한 기존의 연산방식과 달리, FFT를 사용한 주파수 분석 결과를 이용하여 IR과 RED의 성분비를 연산함으로써, 움직임의 영향을 제거할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, FFT를 사용한 주파수 분석 결과를 이용하여 IR과 RED의 성분비를 연산함으로써, 추가적인 센서 없이 용이하게 움직임의 영향을 제거할 수 있다.The present invention relates to an oxygen saturation calculation method, and more specifically, (1) Fast Fourier transform (FFT) of IR and RED signals, and (2) Moving noise frequency component among FFT results. Finding a source frequency component and a corresponding harmonics component of the PPG signal (photoplethysmographic signal), and (3) the source frequency component found in step (2) and the Comprising the step of calculating the ratio of the IR and RED component in the corresponding harmonic component is characterized by its configuration.
In addition, the present invention relates to an oxygen saturation measurement system, and more particularly, to include an FFT module, a frequency component analysis module, and an oxygen saturation measurement module.
According to the oxygen saturation measuring method and system which removes the influence of the motion proposed in the present invention, unlike the conventional calculation method using the peak point detection, by calculating the component ratio of the IR and RED using the frequency analysis result using the FFT, The influence of movement can be eliminated. In addition, according to the present invention, by calculating the component ratio of the IR and RED using the frequency analysis result using the FFT, it is possible to easily remove the influence of the movement without additional sensors.

Description

METHOD AND SYSTEM FOR MEASURING OXYGEN SATURATION}

본 발명은 산소 포화도 측정 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and a system for measuring oxygen saturation, and more particularly, to a method and system for measuring oxygen saturation from the influence of movement.

혈중 산소 포화도(SPO2)는 제5의 생체 신호라 불릴 정도로 현대 의학에서 중요한 위치를 차지하고 있다. 혈중 산소 포화도는 총 헤모글로빈의 농도에 대해 산소를 포함하고 있는 헤모글로빈 농도의 비율로서 정의되는데, 저산소증, 신생아 모니터링, 응급의학 등 임상 분야에서 중요한 파라미터로서 사용된다. 특히, 연속적인 산소 포화도의 측정은 위독한 환자의 임상관리에 있어 매우 중요하다. 혈중 산소 포화도를 측정하는 방법으로는, 동맥혈을 채취하여 직접 분석하는 관혈적인 방법과 혈액 내의 헤모글로빈이 산소와 결합해 있을 때의 광흡수도와 결합하고 있지 않을 때의 광흡수도를 측정하여 그 비를 이용하여, 혈액을 직접 채취하지 않고 혈중 산소 포화도를 측정하는 방법인 비관혈적인 방법이 있다. 펄스 옥시메터(Pulse Oximeter)는 혈중 산소 포화도를 비관혈적으로 측정하는 장비를 말한다.
Blood oxygen saturation (SPO2) occupies an important position in modern medicine, so called the fifth biosignal. Blood oxygen saturation is defined as the ratio of hemoglobin concentration to oxygen to total hemoglobin concentration, and is used as an important parameter in clinical fields such as hypoxia, neonatal monitoring, and emergency medicine. In particular, continuous measurement of oxygen saturation is very important in the clinical management of critical patients. The blood oxygen saturation is measured by an arterial method that directly collects arterial blood and analyzes the absorbance when hemoglobin in the blood is combined with oxygen. There is a non-invasive method of measuring blood oxygen saturation without directly collecting blood. Pulse oximeter refers to a device for non-invasive measurement of blood oxygen saturation.

펄스 옥시메터(Pulse Oximeter)를 이용한 산소 포화도 측정은, IR(Infrared light, 적외선)과 RED(Red light, 적색선)의 두 가지 빔을 쏘고, IR, RED 성분의 비(R)를 연산하여 측정하는데, 각각의 IR, RED 성분에는 신호 성분과 노이즈 성분이 함께 존재한다. 특히, 산소 포화도 측정에 있어서 측정 대상자의 움직임은 혈액의 움직임을 발생시키고, 이로 인해 노이즈 성분이 증가하게 되어 산소 포화도 연산 결과에 영향을 미친다. 즉, 광을 이용한 상대적 혈류 변화를 통해 산소 포화도를 측정하는 것은, 측정 부위의 움직임으로 인해 광신호의 크기 변화가 심하여, 측정 시 움직임을 제한하는 것이 필요하고, 움직임으로 인해 측정 오차를 야기할 수 있다.
Oxygen saturation measurement using a pulse oximeter shoots two beams: IR (infrared light) and RED (red light) and calculates the ratio (R) of the IR and RED components. Each IR and RED component has a signal component and a noise component. In particular, in the measurement of oxygen saturation, the movement of the object to be measured causes blood movement, which increases the noise component and thus affects the oxygen saturation calculation result. In other words, measuring the oxygen saturation through the change of relative blood flow using light, the size of the optical signal is severe due to the movement of the measurement site, it is necessary to limit the movement during the measurement, may cause measurement errors due to the movement have.

측정 오차가 야기되는 문제를 해결하기 위하여 종래에는 가속도계를 이용하여 생체 신호와는 무관하고 움직임에만 상관관계가 높은 신호를 추가로 얻거나, 움직임과 관련된 모델에 근거하거나, 주파수 특성을 이용하는 방법, 비선형 모델을 이용하는 방법, 및 ICA(Independent Component Analysis)를 이용한 방법 등이 있었다.
In order to solve the problem that measurement error is caused, conventionally, an accelerometer is used to obtain an additional signal which is not related to a biological signal and has only a high correlation with motion, based on a model related to motion, or using frequency characteristics. Methods using models, and methods using independent component analysis (ICA).

그러나 가속도계와 같은 추가적인 센서의 부착은 센서의 추가 비용을 야기한다. 고정된 아날로그나 디지털 필터를 사용할 경우 움직임에 대한 주파수 특성은 늘 일정하다고 보기 어렵고, PPG 신호의 주파수 특성 또한 피검자가 정적인 상태로 있을 때보다 종적으로 활동하게 될 경우 주파수 특성이 변화되므로 고정하는 것은 이상적인 방법이 아니다. 따라서 새로운 연산 방법에 따른 산소 포화도 측정 방법 및 시스템의 개발이 요구되었다.However, attachment of additional sensors, such as accelerometers, incurs additional costs for the sensor. When using a fixed analog or digital filter, the frequency characteristic of the motion is not always constant, and the frequency characteristic of the PPG signal is also changed when the subject is active longer than when the subject is in a static state. It's not the ideal way. Therefore, development of a method and system for measuring oxygen saturation according to a new calculation method has been required.

본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 피크 지점 검출을 이용한 기존의 연산방식과 달리, FFT를 사용한 주파수 분석 결과를 이용하여 IR과 RED의 성분비를 연산함으로써, 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법 및 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
The present invention is proposed to solve the above problems of the conventionally proposed methods, and unlike the conventional calculation method using the peak point detection, by calculating the component ratio of the IR and RED using the frequency analysis results using the FFT It is an object of the present invention to provide a method and a system for measuring oxygen saturation, which removes the influence of movement.

또한, 본 발명은, FFT를 사용한 주파수 분석 결과를 이용하여 IR과 RED의 성분비를 연산함으로써, 추가적인 센서 없이 용이하게 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법 및 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to provide a method and system for measuring oxygen saturation, in which the effect of motion is easily eliminated without additional sensors by calculating the component ratio of IR and RED using frequency analysis results using FFT.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법은,Oxygen saturation measurement method to remove the influence of the movement according to the features of the present invention for achieving the above object,

(1) IR, RED 신호를 각각 FFT(Fast Fourier transform, 고속 푸리에 변환)하는 단계;(1) fast Fourier transform (FFT) of the IR and RED signals, respectively;

(2) FFT한 결과 중에, 움직임 노이즈 주파수 성분을 제외한, PPG 신호(photoplethysmographic signal, 광혈류 측정 신호)의 원천 주파수(Fundamental Frequency) 성분 및 그에 해당하는 고조파(Harmonics) 성분을 찾아내는 단계; 및(2) finding a source frequency component and a corresponding harmonics component of the photoplethysmographic signal (PPG signal), excluding a motion noise frequency component, from the FFT result; And

(3) 상기 단계 (2)에서 찾아낸 원천 주파수 성분 및 그에 해당하는 고조파 성분에서 IR과 RED 성분의 비율을 연산하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
(3) calculating the ratio of the IR and RED components in the source frequency component and the corresponding harmonic components found in step (2).

바람직하게는, 상기 단계 (1)에 앞서,Preferably, prior to step (1),

(0-1) IR, RED 광을 신체의 특정 부위에 조사하는 단계; 및(0-1) irradiating IR, RED light to a specific part of the body; And

(0-2) 신체의 특정 부위를 투과한 상기 IR, RED 광을 수광하여 전기 신호로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
(0-2) The method may further include receiving the IR and RED light transmitted through a specific part of the body and converting the light into an electrical signal.

바람직하게는, 상기 단계 (3)에서는,Preferably, in the step (3)

IR과 RED 성분의 비율을 다음 수학식에 의해 연산할 수 있다.The ratio of the IR and RED components can be calculated by the following equation.

(여기서, S는 FFT의 결과를, M은 FFT size를, φ는 FFT 함수를 각각 나타내며, α와 β는 각각 IR 신호 및 RED 신호의 각 주파수 성분의 크기 값을 나타내며, k=0, 1, …(원천 주파수(Fundamental Frequency)의 정수 배를 의미함).)
Where S denotes the result of the FFT, M denotes the FFT size, φ denotes the FFT function, and α and β denote the magnitude values of the respective frequency components of the IR signal and the RED signal, respectively, and k = 0, 1, … (Meaning an integer multiple of Fundamental Frequency).)

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정시스템은,Oxygen saturation measurement system to remove the influence of the movement according to the characteristics of the present invention for achieving the above object,

IR, RED 신호를 각각 FFT(Fast Fourier transform, 고속 푸리에 변환)하는 FFT 모듈;An FFT module for performing fast Fourier transform (FFT) on the IR and RED signals;

FFT한 결과 중에, 움직임 노이즈 주파수 성분을 제외한, PPG 신호(photoplethysmographic signal, 광혈류 측정 신호)의 원천 주파수(Fundamental Frequency) 성분 및 그에 해당하는 고조파(Harmonics) 성분을 찾아내는 주파수 성분 분석 모듈; 및A frequency component analysis module for finding a source frequency component and a corresponding harmonics component of a photoplethysmographic signal (PPG signal), excluding a motion noise frequency component, from the FFT result; And

상기 주파수 성분 분석 모듈을 이용하여 찾아낸 원천 주파수 성분 및 그에 해당하는 고조파 성분에서 IR과 RED 성분의 비율을 연산하는 산소 포화도 측정 모듈을 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
It comprises an oxygen saturation measurement module for calculating the ratio of the IR and RED component in the source frequency component and the corresponding harmonic component found using the frequency component analysis module.

바람직하게는,Preferably,

신체의 특정 부위에 광을 조사하는 광 조사 모듈; 및A light irradiation module for irradiating light to a specific part of the body; And

상기 신체의 특정 부위를 투과한 광들을 수광하여, 전기적인 신호로 변환하는 광 검출 모듈을 더 포함할 수 있다.
The apparatus may further include a light detection module configured to receive light transmitted through a specific part of the body and convert the light into an electrical signal.

바람직하게는, 상기 산소 포화도 측정 모듈은,Preferably, the oxygen saturation measuring module,

(여기서, S는 FFT의 결과를, M은 FFT size를, φ는 FFT 함수를 각각 나타내며, α와 β는 각각 IR 신호 및 RED 신호의 각 주파수 성분의 크기 값을 나타내며, k=0, 1, …(원천 주파수(Fundamental Frequency)의 정수 배를 의미함).)Where S denotes the result of the FFT, M denotes the FFT size, φ denotes the FFT function, and α and β denote the magnitude values of the respective frequency components of the IR signal and the RED signal, respectively, and k = 0, 1, … (Meaning an integer multiple of Fundamental Frequency).)

본 발명에서 제안하고 있는 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법 및 시스템에 따르면, 피크 지점 검출을 이용한 기존의 연산방식과 달리, FFT를 사용한 주파수 분석 결과를 이용하여 IR과 RED의 성분비를 연산함으로써, 움직임의 영향을 제거할 수 있다.
According to the oxygen saturation measuring method and system which removes the influence of the motion proposed in the present invention, unlike the conventional calculation method using the peak point detection, by calculating the component ratio of the IR and RED using the frequency analysis result using the FFT, The influence of movement can be eliminated.

또한, 본 발명에 따르면, FFT를 사용한 주파수 분석 결과를 이용하여 IR과 RED의 성분비를 연산함으로써, 추가적인 센서 없이 용이하게 움직임의 영향을 제거할 수 있다.In addition, according to the present invention, by calculating the component ratio of the IR and RED using the frequency analysis result using the FFT, it is possible to easily remove the influence of the movement without additional sensors.

도 1은 산소 포화도 측정에 있어서, 움직임 노이즈가 없는 경우의 주파수 분포를 도시한 도면.
도 2는 산소 포화도 측정에 있어서, 움직임 노이즈가 있는 경우의 주파수 분포를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법의 흐름을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법에서 FFT한 결과를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법을 도식화한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 시스템의 블록도를 도시한 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a diagram showing a frequency distribution in the absence of motion noise in oxygen saturation measurement.
Fig. 2 is a diagram showing a frequency distribution when there is motion noise in oxygen saturation measurement.
3 is a flow diagram illustrating a method of measuring oxygen saturation by removing the influence of movement according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a view showing the results of the FFT in the oxygen saturation measuring method to remove the influence of the motion according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram illustrating a method of measuring oxygen saturation to remove the influence of the motion according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram of an oxygen saturation measurement system that eliminates the influence of movement in accordance with one embodiment of the present invention. FIG.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 부호를 사용한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. In the following detailed description of the preferred embodiments of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The same or similar reference numerals are used throughout the drawings for portions having similar functions and functions.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
In addition, in the entire specification, when a part is referred to as being 'connected' to another part, it may be referred to as 'indirectly connected' not only with 'directly connected' . Also, to "include" an element means that it may include other elements, rather than excluding other elements, unless specifically stated otherwise.

종래의 산소 포화도의 측정은, 서로 다른 파장을 가지는 적어도 두 가지 이상의 광들(예: Infrared, Red)을 신체의 특정 부위에 조사한 후, 신체의 특정 부위를 투과한 서로 다른 파장의 광들(Infrared, Red)을 수광하여, 이를 전기 신호로 변환하는 방식으로 이루어졌다. 이렇게 변환된 전기 신호들을 서로 다른 파장을 가지는 광들에 상응하는 전기 신호들로 분리할 수 있고, 분리된 전기 신호들은 심장의 박동에 의해 나타나는 맥동 성분인 AC 성분과, 정맥혈, 모세 혈관의 혈액, 비맥동성인 동맥혈을 포함하는 조직층에 의해 나타나는 DC 성분으로 추출될 수 있다. 추출된 두 성분의 신호 성분들을 이용하여 산소 포화도를 산출할 수 있다.
The conventional measurement of oxygen saturation is to irradiate at least two or more lights (eg, Infrared, Red) having different wavelengths to a specific part of the body, and then to emit light of different wavelengths (Infrared, Red) passing through a specific part of the body. ) And convert it into an electrical signal. The converted electrical signals can be separated into electrical signals corresponding to lights having different wavelengths, and the separated electrical signals are AC components, pulsating components represented by the heartbeat, venous blood, capillary blood, It can be extracted as a DC component represented by a tissue layer containing pulsating arterial blood. Oxygen saturation may be calculated using the extracted signal components of the two components.

즉, 산소 포화도는, IR과 RED 성분의 비의 형태로서 연산하여 산출될 수 있으며, 그 식은 아래와 같다.That is, the oxygen saturation can be calculated by calculating as the ratio of the IR and the RED component, the formula is as follows.

이와 같은 종래의 연산 방법에 있어서, 각각의 IR, RED 성분에는 신호 성분과 노이즈 성분이 함께 존재할 수 있다. 따라서 R의 값을 구하기 위해서는 AC 성분에서 최대/최소 피크 지점 및 DC 성분의 최대 지점을 검출하여 위의 식으로 연산할 수 있다.
In such a conventional calculation method, a signal component and a noise component may exist together in each IR and RED component. Therefore, in order to obtain the value of R, the maximum / minimum peak point in the AC component and the maximum point of the DC component can be detected and calculated by the above equation.

도 1 및 도 2는 산소 포화도 측정에 있어서, 움직임 노이즈가 없는 경우 및 있는 경우의 주파수 분포를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 산소 포화도 측정에 있어서 측정 대상자의 움직임은 혈액의 움직임을 발생시킬 수 있고, 이에 따라 주파수 분포에도 노이즈 성분이 발생할 수 있다. 움직임으로 인해 노이즈 성분이 증가하게 되면 산소 포화도 연산 결과에 영향을 미칠 수 있다. 즉, 움직임이 발생할 때, 이하의 식과 같이, IR, RED의 노이즈 성분이 신호 성분에 비해 커질 수 있으며, R은 1에 근접하게 될 수 있다.1 and 2 are diagrams showing frequency distributions in the case where there is no motion noise and when there is no oxygen saturation measurement. As shown in FIG. 2, in the measurement of oxygen saturation, the movement of the measurement subject may generate blood movement, and thus a noise component may also occur in the frequency distribution. The increased noise component due to movement can affect the oxygen saturation calculation result. That is, when motion occurs, the noise components of IR and RED can be larger than the signal components, and R can be close to 1, as shown in the following equation.

R이 1일 때 산소 포화도는 약 80% 가량으로, 움직임이 발생하면 실제와는 다른 비정상적인 산소 포화도 값이 연산될 가능성이 있다.
When R is 1, the oxygen saturation is about 80%. When a movement occurs, an abnormal oxygen saturation value may be calculated.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정방법에서는, FFT를 사용한 주파수 분석 결과를 이용하여 IR, RED의 성분비를 연산한다. 맥박이 일정할 때, 산소 포화도 신호는 맥박의 원천 주파수(Fundamental Frequency) 성분과 원천주파수의 배수 주파수 성분인 고조파(Harmonic) 성분을 포함한다. IR 신호와 RED 신호를 각각 FFT한 결과에서 원천 주파수 성분과 Harmonic 주파수 성분을 찾아내어 그 성분에서 IR 신호 성분과 RED 신호 성분의 비율로서 R을 연산할 수 있다.
In order to solve this problem, in the oxygen saturation measuring method to remove the influence of the motion according to an embodiment of the present invention, the component ratio of the IR, RED is calculated using the frequency analysis result using the FFT. When the pulse is constant, the oxygen saturation signal includes a harmonic component that is a fundamental frequency component of the pulse and a multiple frequency component of the source frequency. From the result of FFT of the IR signal and the RED signal, the source frequency component and the harmonic frequency component can be found, and R can be calculated as the ratio of the IR signal component and the RED signal component.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법의 순서도를 도식화한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법은, IR, RED 신호를 각각 FFT(Fast Fourier transform, 고속 푸리에 변환)하는 단계(S100), FFT한 결과 중에, 움직임 노이즈 주파수 성분을 제외한, PPG 신호(photoplethysmographic signal, 광혈류 측정 신호)의 원천 주파수(Fundamental Frequency) 성분 및 그에 해당하는 고조파(Harmonics) 성분을 찾아내는 단계(S200), 단계 S200에서 찾아낸 원천 주파수 성분 및 그에 해당하는 고조파 성분에서 IR과 RED 성분의 비율을 연산하는 단계(S300)를 포함하여 구현될 수 있다. 실시예에 따라서는, 단계 S100에 앞서, IR, RED 광을 신체의 특정 부위에 조사하는 단계(S10), 신체의 특정 부위를 투과한 IR, RED 광을 수광하여 전기 신호로 변환하는 단계(S20)를 더 포함하여 구현될 수 있다.
3 is a diagram illustrating a flowchart of a method for measuring oxygen saturation, which removes the influence of movement according to an embodiment of the present invention. As shown in Figure 3, the oxygen saturation measurement method to remove the influence of the motion according to an embodiment of the present invention, the step of FFT (Fast Fourier transform, Fast Fourier transform), respectively, IR, RED signal (S100), FFT Among the results, finding the source frequency component and the corresponding harmonics component of the PPG signal (photoplethysmographic signal) except for the motion noise frequency component (S200), and found in step S200. Comprising a step (S300) of calculating the ratio of the IR and RED components in the source frequency component and the corresponding harmonic components. According to the embodiment, prior to step S100, the step of irradiating IR, RED light to a specific part of the body (S10), the step of receiving the IR, RED light transmitted through a specific part of the body and converting it into an electrical signal (S20) It can be implemented to include more.

IR, RED 광을 신체의 특정 부위에 조사하는 단계(S10)에서는, 서로 다른 파장을 가지는 IR 광과 RED 광을 신체의 특정 부위에 정해진 순서대로 조사할 수 있다. 이때, 광이 조사될 수 있는 신체의 특정 부위에는 손가락, 손목, 발목, 이마 등이 포함될 수 있다.
In the step S10 of irradiating IR, RED light to a specific part of the body, IR light and RED light having different wavelengths may be irradiated to a specific part of the body in a predetermined order. At this time, a specific part of the body that can be irradiated with light may include a finger, wrist, ankle, forehead, and the like.

신체의 특정 부위를 투과한 상기 IR, RED 광을 수광하여 전기 신호로 변환하는 단계(S20)에서는, 신체의 특정 부위를 투과한 서로 다른 파장을 가지는 IR 광 및 RED 광을 수광하고, 이를 FFT하기 위한 전기 신호로 변환할 수 있다.
In the step S20 of receiving the IR and RED light transmitted through a specific part of the body and converting it into an electrical signal, receiving the IR light and the RED light having different wavelengths transmitted through the specific part of the body, and FFT it. Can be converted into an electrical signal.

IR, RED 신호를 각각 FFT(Fast Fourier transform, 고속 푸리에 변환)하는 단계(S100)는, 움직임이 발생할 때 생기는 노이즈로부터 연산결과가 영향을 받지 않고 산소 포화도를 계산할 수 있도록 하는 것으로서, 기존의 피크 지점 검출을 이용한 연산 방식과 달리 IR과 RED의 성분비를 연산하기 위해 FFT를 사용하여 주파수를 분석하는 것이다.
Fast Fourier transform (FFT) of the IR and RED signals, respectively (S100), allows the calculation of the oxygen saturation without affecting the calculation result from noise generated when the motion occurs, and the existing peak point. Unlike the calculation method using detection, frequency is analyzed using FFT to calculate the component ratio of IR and RED.

FFT는, 푸리에 변환(Fourier Transform)에 근거하여 근사 공식을 이용한 DFT(discrete Fourier Transform, 이산 푸리에 변환)을 계산할 때 연산 횟수를 줄일 수 있도록 고안된 알고리즘이다. 임의의 시간함수에 대한 신호를 푸리에 변환하면 주파수 성분에 대한 크기와 각 주파수에 대한 위상을 알 수 있게 된다. 하지만, Digital 신호의 경우 푸리에 변환으로 접근할 수 있는 연속성이 없기 때문에 그에 맞는 푸리에 변환을 사용하여야 하는데 이것이 바로 DFT이다. h_m(0≤m≤N－1)이 복소수들의 집합일 때, 수열 {h_m}의 DFT는 다음과 같다.The FFT is an algorithm designed to reduce the number of operations when calculating a discrete Fourier transform (DFT) using an approximation formula based on a Fourier transform. Fourier transforming a signal for an arbitrary time function gives the magnitude of the frequency component and the phase for each frequency. However, in case of digital signal, there is no continuity that can be approached by Fourier transform. Therefore, Fourier transform should be used. This is DFT. When h _m (0 ≦ _m ≦ N−1) is a set of complex numbers, the DFT of the sequence {h _m } is as follows.

연속 푸리에 변환에서와 마찬가지 방법으로, 이산 변환도 다음 수학식 4와 같이 역변환을 구할 수 있다.In the same manner as in the continuous Fourier transform, the discrete transform can also be obtained by the inverse transform as shown in Equation 4 below.

그러나 빠른 처리 속도와 효율성을 위하여 FFT(Fast Fourier transform)를 사용하는데, DFT가 신호에 대하여 무한대 구간을 연산하는 것이라면, FFT는 무한대 구간이 아닌 임의의 유한한 구간을 정하고 고속으로 연산하는 것이다. 이때 유한한 구간이란 point 개수를 의미한다. 디지털의 신호 샘플 하나하나가 point에 대응되는 것이다. 고속 푸리에 변환의 알고리즘은, 수학식 3의 계산을 할 때 직적분해(direct product decomposition)를 이용하여 단계를 나누어 수행할 수 있다는 사실에 근거한다. 본 발명의 일실시예에 따른 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법은, 이와 같은 FFT하는 단계 및 이하에서 설명할 맥박 주파수 성분과 고조파 성분을 추출하는 단계를 수행함으로써, 움직임의 영향을 받는 노이즈 주파수 성분을 제거할 수 있다.
However, FFT (Fast Fourier transform) is used for fast processing speed and efficiency. If the DFT calculates an infinite interval for a signal, the FFT determines an arbitrary finite interval rather than an infinite interval and computes at high speed. In this case, the finite interval means the number of points. Each digital signal sample corresponds to a point. The algorithm of the fast Fourier transform is based on the fact that in the calculation of equation (3) it can be performed in steps using direct product decomposition. Oxygen saturation measurement method to remove the influence of the motion according to an embodiment of the present invention, by performing the FFT step and extracting the pulse frequency components and harmonic components to be described below, the noise frequency affected by the movement The component can be removed.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법에서 FFT한 결과를 도시한 도면이다. 움직임이 없을 때 IR, RED 각각의 성분에 대한 FFT 결과로서, 맥박은 75, FFT size는 512이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 원천 주파수 성분과 고조파 성분에서 각각의 IR 신호 및 RED 신호의 비율은 동일하다.
4 is a view showing the results of the FFT in the oxygen saturation measuring method to remove the influence of the movement according to an embodiment of the present invention. When there is no motion, the FFT results for the IR and RED components are 75, and the FFT size is 512. As shown in FIG. 4, the ratio of the IR signal and the RED signal in the source frequency component and the harmonic component is the same.

PPG 신호(photoplethysmographic signal, 광혈류 측정 신호)의, 맥박의 원천 주파수 성분 또는 그에 해당하는 고조파 성분을 찾는 단계(S200)는, FFT 결과에서 노이즈 부분을 제거하는 단계이다. 즉, 움직임이 발생할 경우에는, FFT 결과에 맥박 주파수와 Harmonic 성분 외에 움직임 노이즈의 주파수 성분이 포함되어 나타난다. 따라서 움직임에 의한 잡음이 유입될 경우 FFT 결과에서 맥박 주파수의 Harmonic 성분만을 찾아내어 비율을 연산하면 움직임 노이즈가 산소 포화도 연산 결과에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.
Finding the source frequency component of the pulse or a harmonic component corresponding thereto of the PPG signal (photoplethysmographic signal) is to remove the noise portion from the FFT result. That is, when motion occurs, the frequency component of the motion noise appears in addition to the pulse frequency and the harmonic component in the FFT result. Therefore, if the noise from the motion is introduced, the harmonic component of the pulse frequency is found in the FFT result to calculate the ratio so that the motion noise does not affect the oxygen saturation calculation result.

단계 S200에서 찾아낸 원천 주파수 성분 및 그에 해당하는 고조파 성분에서 IR과 RED 성분의 비율을 연산하는 단계(S300)는, R을 연산하여 산소 포화도를 도출하는 단계이다. 즉, 산소 포화도 신호는 맥박의 주파수 성분과 그에 해당하는 Harmonic 성분을 포함할 수 있는데, 이때 IR 신호와 RED 신호를 각각 FFT한 결과의 비율로서 R을 연산할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 산소 포화도 측정 방법에서 R은, 다음 수학식 5와 같은 방법으로 연산할 수 있다.Computing the ratio of the IR and RED components from the source frequency component and the corresponding harmonic components found in step S200 (S300) is a step of deriving oxygen saturation by calculating R. That is, the oxygen saturation signal may include a frequency component of the pulse and a corresponding harmonic component, where R may be calculated as a ratio of the result of FFT of the IR signal and the RED signal. In the method of measuring oxygen saturation according to an embodiment of the present invention, R may be calculated by the method shown in Equation 5 below.

여기서, S는 FFT의 결과를, M은 FFT size를, φ는 FFT 함수를 각각 나타내며, α와 β는 각각 IR 신호 및 RED 신호의 각 주파수 성분의 크기 값을 나타내며, k=0, 1, …(원천 주파수(Fundamental Frequency)의 정수 배를 의미함).
Where S denotes the result of the FFT, M denotes the FFT size, φ denotes the FFT function, and α and β denote the magnitude values of the respective frequency components of the IR signal and the RED signal, respectively, and k = 0, 1,... (Meaning integer multiple of Fundamental Frequency).

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 방법을 도식화한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, Infrared 광과 Red 광의 신호를 각각 FFT하고 그 중에서 Fundamental Frequency와 Harmonics를 찾아 그 비율을 계산하는 과정을 통해 SPO2(산소 포화도)를 측정할 수 있다.
5 is a diagram illustrating a method of measuring oxygen saturation by removing the influence of movement according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the SPO2 (oxygen saturation) may be measured by FFT the signals of the infrared light and the red light, and calculating the ratio by finding the Fundamental Frequency and the Harmonics.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 움직임의 영향을 제거한 산소 포화도 측정 시스템의 블록도를 도시한 도면이다. 본 발명의 일실시예에 따른 산소 포화도 측정 시스템은, FFT 모듈, 주파수 성분 분석 모듈, 산소 포화도 측정 모듈을 포함할 수 있다. 실시예에 따라서는, 광 조사 모듈 및 광 검출 모듈을 더 포함할 수 있다. FFT 모듈, 주파수 성분 분석 모듈, 산소 포화도 측정 모듈은 PC 등 다양한 기기가 응용되어 사용될 수 있다. 또한, 광 조사 모듈은, 두 개의 발광 수단, 발광 수단 제어부로 구성될 수 있으며, 광 검출 모듈은 광 검출기 및 신호 변환부로 구성될 수 있다. 기타 각 구성요소의 상세한 설명은 앞서 설명하였으므로 생략하기로 한다.
FIG. 6 is a block diagram of an oxygen saturation measuring system without the influence of movement according to an embodiment of the present invention. The oxygen saturation measuring system according to an embodiment of the present invention may include an FFT module, a frequency component analysis module, and an oxygen saturation measuring module. According to an embodiment, the light irradiation module and the light detection module may be further included. FFT module, frequency component analysis module, oxygen saturation measurement module can be used for various applications such as PC. In addition, the light irradiation module may be composed of two light emitting means, a light emitting means controller, and the light detection module may be composed of a light detector and a signal converter. Detailed description of each other component has been described above, and thus will be omitted.

이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics of the invention.

100: FFT 모듈
200: 주파수 성분 분석 모듈 300: 산소 포화도 측정 모듈
400: 광 조사 모듈 500: 광 검출 모듈
S10: IR, RED 광을 신체의 특정 부위에 조사하는 단계
S20: 신체의 특정 부위를 투과한 상기 IR, RED 광을 수광하여 전기 신호로 변환하는 단계
S100: IR, RED 신호를 각각 FFT하는 단계
S200: FFT한 결과 중에, 움직임 노이즈 주파수 성분을 제외한, PPG 신호의 원천 주파수 성분 및 그에 해당하는 고조파 성분을 찾아내는 단계
S300: 단계 S200에서 찾아낸 원천 주파수 성분 및 그에 해당하는 고조파 성분에서 IR 와 RED 성분의 비율을 연산하는 단계100: FFT module
200: frequency component analysis module 300: oxygen saturation measurement module
400: light irradiation module 500: light detection module
S10: irradiating IR, RED light to a specific part of the body
S20: receiving the IR, RED light transmitted through a specific part of the body and converting it into an electrical signal
S100: FFT the IR and RED signals, respectively
S200: finding, from the result of the FFT, the source frequency component of the PPG signal and the corresponding harmonic component except for the motion noise frequency component
S300: calculating a ratio of the IR and RED components from the source frequency components and corresponding harmonic components found in step S200.

Claims

In the oxygen saturation measuring method,
(1) fast Fourier transform (FFT) of the IR and RED signals, respectively;
(2) finding a source frequency component and a corresponding harmonics component of the photoplethysmographic signal (PPG signal), excluding a motion noise frequency component, from the FFT result; And
(3) calculating a ratio of the IR and RED components in the source frequency component and the corresponding harmonic components found in step (2),
In the step (3),
A method of measuring oxygen saturation from the influence of movement, wherein the ratio of IR and RED components is calculated by the following equation.

Where S denotes the result of the FFT, M denotes the FFT size, φ denotes the FFT function, and α and β denote the magnitude values of the respective frequency components of the IR signal and the RED signal, respectively, and k = 0, 1,... (Meaning integer multiple of Fundamental Frequency).

The method of claim 1, wherein prior to step (1),
(0-1) irradiating IR, RED light to a specific part of the body; And
(0-2) receiving the IR, RED light transmitted through a specific part of the body and converting it into an electrical signal, characterized in that the oxygen saturation measurement method of removing the influence of the movement.

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In the oxygen saturation measuring system,
An FFT module for performing fast Fourier transform (FFT) on the IR and RED signals;
A frequency component analysis module for finding a source frequency component and a corresponding harmonics component of a photoplethysmographic signal (PPG signal), excluding a motion noise frequency component, from the FFT result; And
It includes an oxygen saturation measurement module for calculating the ratio of the IR and RED components in the source frequency components and the corresponding harmonic components found using the frequency component analysis module,
The oxygen saturation measuring module,
An oxygen saturation measurement system without the influence of movement, wherein the ratio of the IR and RED components is calculated by the following equation.

5. The method of claim 4,
A light irradiation module for irradiating light to a specific part of the body; And
And a light detection module for receiving the light transmitted through the specific part of the body and converting the light into an electrical signal.

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