KR101514151B1 - Noise robust algorithm for ppg signal measurement - Google Patents

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KR101514151B1
KR101514151B1 KR1020130145773A KR20130145773A KR101514151B1 KR 101514151 B1 KR101514151 B1 KR 101514151B1 KR 1020130145773 A KR1020130145773 A KR 1020130145773A KR 20130145773 A KR20130145773 A KR 20130145773A KR 101514151 B1 KR101514151 B1 KR 101514151B1
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ppg
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noise
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권성오
김민호
김태욱
장성환
반다희
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울산대학교 산학협력단
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    • A61B5/7203Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes for noise prevention, reduction or removal
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    • A61B5/7214Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes for noise prevention, reduction or removal of noise induced by motion artifacts using signal cancellation, e.g. based on input of two identical physiological sensors spaced apart, or based on two signals derived from the same sensor, for different optical wavelengths

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Abstract

The present invention relates to a PPG signal measuring method which is strong against motion noise and is able to solve problems caused by high frequency noise and motion noise generated when measuring a PPG signal which is one of biological signals. The PPG signal measuring method includes: a PPG signal measuring step through multiple channels receiving two or more channels of a PPG signal from an end part of a human body; a high frequency noise removing step of removing the signal noise of a high frequency band using a low-pass filter from the PPG signal measured in the PPG signal measuring step through the multiple channels; a reference signal setting step to determine whether motion noise exists in the PPG signal from which a high frequency is removed through the high frequency noise removing step; a time correcting step for a comparison between multi-channel signals since a time difference exists between a signal measured through multiple channels and a signal detected by a distance difference between each measurement position and a heart; and a motion noise determining and signal selecting step to output a normal signal by comparing the cycle time of the signal of multiple channels corrected in the time correcting step with the cycle time of a reference signal.

Description

동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법 {NOISE ROBUST ALGORITHM FOR PPG SIGNAL MEASUREMENT}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method of measuring a PPG signal,

본 발명은 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생체신호 중 하나인 PPG 신호 측정에서 발생하는 고주파 잡음과 동잡음으로 인한 문제를 제거할 수 있는 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a PPG signal measuring method robust against motion noise, and more particularly, to a motion-robust PPG signal measuring method capable of eliminating problems caused by high frequency noise and motion noise occurring in PPG signal measurement, ≪ / RTI >

최근 건강과 신체에 대한 관심이 증가하고 고혈압, 당뇨와 같은 질병의 발병률이 높아지면서 실시간으로 건강을 확인할 수 있는 기술에 대한 관심이 매우 증가하고 있다. 이러한 관심의 증가와 더불어 생체신호의 특징을 추출하고, 인식하는 알고리즘과 생체신호의 추출을 위한 하드웨어를 개발하는 등 생체신호처리 기술에 대한 연구가 의료분야와 정신 및 심리분야 등 다양한 분야에서 진행되고 있다.Recently, interest in health and body has increased, and as the incidence of diseases such as hypertension and diabetes increases, there is a growing interest in techniques for confirming health in real time. In addition to the increased interest, research on biological signal processing techniques such as extracting characteristics of bio-signals, developing algorithms for recognizing and extracting bio-signals, and so on are conducted in various fields such as medical field, psychology and psychology have.

측정 가능한 생체신호에는 EEG(Electroencephalography), ECG(Electrocardiography), EMG(Electromyography), PPG(Photoplethysmography), EOG(Electrooculography) 등 종류가 다양하다. 여러 생체신호 처리에 있어서 실시간으로 모니터링하기 간편한 신호는 PPG이다. EEG와 ECG의 경우 두피와 흉부에 전극을 붙여서 측정해야 하며 측정 시 움직임이 매우 제한되는데 비해, PPG는 손가락이나 귓불, 발가락과 같은 신체 말단 부위에 부착하여 사용하는 하나의 센서를 이용하기 때문에 ECG나 EEG에 비해 상대적으로 사용자의 움직임을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 측정환경 자체의 잡음과 사용자의 동작으로 인하여 신호가 왜곡되기 쉽다는 문제점 때문에 신호처리 시에 이러한 잡음을 제거하는 과정이 요구된다.Electroencephalography (EEG), Electrocardiography (ECG), Electromyography (EMG), Photoplethysmography (PPG) and Electrooculography (EOG) PPG is a signal that is easy to monitor in real time in various biological signal processing. In the case of EEG and ECG, the electrodes should be attached to the scalp and chest, and movement is very limited. However, since PPG uses one sensor attached to the body end region such as finger, earlobe, and toe, It is advantageous in that the user's motion can be secured relative to the EEG. However, because of the problem that the signal is distorted due to the noise of the measurement environment itself and the operation of the user, a process of removing such noise is required during signal processing.

최근에는 동잡음을 제거하기 위해 가속도 센서, Gyro 센서와 같은 하드웨어적인 기법을 이용하여 동잡음을 제거하는 방법 등이 있지만 동잡음을 제거하는데 한계를 가지고 있다. 동잡음은 고주파에서 뿐 아니라 모든 주파수 대역에서 발생할 수 있는데, 여러 대역의 동잡음 중 고주파 대역에서 발생하는 잡음은 제거할 수 있지만 생체신호와 비슷한 주파수 대역에서도 잡음이 발생하기 때문에 필터를 이용한 방법으로는 제거할 수 없다.In recent years, there is a limitation to remove motion noise, though there is a method to remove motion noise using hardware techniques such as acceleration sensor and gyro sensor to remove motion noise. The dynamic noise can occur not only at high frequency but also at all frequency bands. Among the dynamic noise of various bands, noise occurring in the high frequency band can be removed, but noise occurs in the frequency band similar to the bio signal. It can not be removed.

이러한 동잡음을 제거하기 위한 새로운 여러 가지 방법이 제시되었는데, 예로서, 공지된 논문에 발표된 "U-헬스케어 시스템을 위한 개선된 PMAF 기반의 PPG 신호의 동잡음 제거"에서는 손가락 프로브를 없애고 손목 시계형으로 모니터링 시스템을 개발하고, 새로운 알고리즘을 제안하였으며, 제안된 방법이 과거에 사용된 방법들 중 적응 필터나 PPG 신호의 유사주기성을 이용한 주기적 이동 평균 필터인 PMAF (Periodic Moving Average Filter)를 사용한 방법보다 잡음 제거가 효과적임을 확인하였다.Various new methods for eliminating such motion artifacts have been proposed. For example, in "Dispersion of motion noise in an improved PMAF-based PPG signal for a U-healthcare system" published in a well-known paper, We have developed a monitoring system with a clock type and proposed a new algorithm. The proposed method uses a periodic moving average filter (PMAF), which is a cyclic moving average filter using adaptive filters or pseudo periodicity of PPG signals, among the methods used in the past. It is confirmed that noise cancellation is more effective than the method.

하지만 이러한 방법 또한 주기보다 높은 주파수의 동잡음 제거에는 효과적이지만 호흡, 팔의 움직임 등 주파수가 낮은 잡음에서는 주기의 검출에 용이하지 않았고, 동잡음을 완벽히 제거할 수 없는 문제점이 있다.
However, this method is also effective in removing motion noise at frequencies higher than the cycle, but it is not easy to detect the cycle at low frequencies such as respiration and arm movement, and there is a problem that the motion noise can not be completely removed.

대한민국 공개특허공보 제10-2010-0008239호(2010년01월25일)Korean Patent Publication No. 10-2010-0008239 (Jan. 25, 2010)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 생체신호 중 하나인 PPG 신호 측정에서 발생하는 고주파 잡음과 동잡음으로 인한 문제를 제거할 수 있는 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
The present invention provides a robust PPG signal measuring method capable of eliminating problems caused by high frequency noise and motion noise generated in PPG signal measurement, which is one of living body signals, It has its purpose.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 생체신호 중 하나인 PPG 신호 측정에서 발생하는 고주파 잡음과 동잡음으로 인한 문제를 제거할 수 있는 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법에 있어서, 신체 말단에서 다중채널을 통하여 PPG 신호를 측정하는 단계와; 상기 다중수신된 PPG 신호에서 저역통과필터(Low Pass Filter: LPF)를 사용하여 고주파 대역의 신호잡음을 제거하는 단계와; 기준 신호를 선정하는 단계와; 설정된 기준 신호를 바탕으로 상기 다중채널 PPG 신호에서 동잡음을 제거하기 위하여 상호상관기법을 적용해 다중화된 신호 간의 시간적 차이를 보정하는 단계와; 신호의 크기를 기준신호와 비교하여 정상신호를 출력하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a robust motion-robust PPG signal measuring method capable of eliminating problems caused by high-frequency noise and motion noise occurring in PPG signal measurement, which is one of biological signals, Measuring a PPG signal through a first antenna; Removing a signal noise in a high frequency band using a low pass filter (LPF) in the multiple received PPG signals; Selecting a reference signal; Correcting a temporal difference between multiplexed signals by applying a cross-correlation technique to remove motion noise from the multi-channel PPG signal based on the set reference signal; And comparing the magnitude of the signal with a reference signal to output a steady signal.

이와 같은 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법에서 상기 저역통과필터는 IIR필터를 사용하고, 상기 기준 신호는 신체 말단 부위에서 PPG 센서를 부착하여 정상적인 신호가 측정되면 PPG 신호의 첫 번째 주기와 두 번째 주기를 비교하여 선정하며, 상기 정상신호는 신호의 크기를 기준신호와 비교하여 각각 다중신호의 크기를 기준신호와 유사하도록 조정하고, 시간 보정 방법을 통해 시간이 지연된 신호를 지연된 시간차이만큼 이동시켜 위상을 맞추며 PPI를 측정하여 기준신호 주기와 비교를 통해 출력한다.In the PPG signal measurement method robust to such motion noise, the low-pass filter uses an IIR filter, and the reference signal has a PPG sensor attached at the body end, and when a normal signal is measured, The normal signal is compared with the reference signal to adjust the magnitude of the multiple signal to be similar to the reference signal and the delayed signal is shifted by the delay time difference through the time correction method, And the PPI is measured and output through comparison with the reference signal period.

또한 측정된 PPI와 기준신호의 주기를 비교할 때, 기준신호의 주기와 오차범위 내에 PPI 간격이 존재하면 정상적인 신호로 판단하고 오차범위 이상에서 PPI 간격이 존재하면 동잡음이 발생한 구간으로 판단하여 다른 신호의 PPI를 검출하며, 다른 신호의 PPI가 정상적인 범위 내에 존재한다면 이를 정상 신호로 판단하여 출력하고, 상기 정상신호가 한 신호 이상인 경우에는 정상 신호로 판단된 신호 중 기준신호와 가장 유사한 신호를 선택한다.
Also, when comparing the period of the reference signal with the period of the reference signal, if the PPI interval exists within the reference signal period and the error range, it is determined that the signal is normal. If there is the PPI interval above the error range, And if the PPI of the other signal is within the normal range, it is determined that the PPI is a normal signal and is outputted. If the normal signal is more than one signal, a signal most similar to the reference signal is selected .

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법에 의하면, 단일 측정할 경우, 20%의 시간동안 동잡음이 점유하던 PPG 신호를 두 개의 다중 측정 신호를 이용하여 동잡음에 의한 신호 왜곡 시간을 9.56%로 줄일 수 있어 2채널 이상의 센서에서 측정된 신호 간의 시간 차이를 분석하여 동잡음을 효과적으로 제거되는 효과가 있다.
According to the method for measuring the PPG signal robust to motion noise according to the present invention, the PPG signal occupied by the noise for 20% of the time is measured by using the two multiple measurement signals, The distortion time can be reduced to 9.56%, and the time difference between the signals measured by the two or more-channel sensor is analyzed to effectively remove motion noise.

도 1은 본 발명에 따른 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법의 단계를 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법의 고주파잡음 제거 단계의 IIR-Butterworth 필터의 특성 그래프
도 3은 본 발명에 따른 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법의 기준 신호 설정단계의 서로 다른 두 사람의 기준 신호 그래프
도 4는 본 발명에 따른 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법의 시간 보정단계의 상호상관기법을 적용한 두 가지의 형태의 그래프
도 5는 본 발명에 따른 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법의 동잡음 판단 및 신호 선택의 상세 구성도
Brief Description of the Drawings Fig. 1 is a block diagram showing steps of a robust PPG signal measuring method according to the present invention
FIG. 2 is a graph showing the characteristics of the IIR-Butterworth filter in the high-frequency noise canceling step of the PPG signal measuring method robust against motion noise according to the present invention
FIG. 3 is a graph showing the relationship between two reference signals of two different users in the reference signal setting step of the PPG signal measuring method robust to motion noise according to the present invention
FIG. 4 is a graph showing the results of two types of graphs using the cross correlation method of the time correction step of the PPG signal measuring method robust to motion noise according to the present invention
5 is a detailed configuration diagram of the motion noise determination and signal selection of the PPG signal measurement method robust to the motion noise according to the present invention

본 발명은 다양한 변형 및 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. The present invention may have various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법의 단계를 나타낸 구성도이다.FIG. 1 is a block diagram showing steps of a robust PPG signal measuring method according to the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법은 손가락, 발가락, 귓불과 같은 신체 말단에서 PPG 신호를 2채널 이상 수신하는 다중채널을 통한 PPG 신호측정단계(S110)와, 다중채널을 통한 PPG 신호측정단계(S110)에서 측정한 PPG 신호에서 저역통과필터를 이용해 고주파대역의 신호잡음을 제거하는 고주파잡음 제거단계(S120)와, 고주파잡음 제거단계(S120)를 통해 고주파가 제거된 PPG 신호에서 동잡음이 존재하는 신호인지를 판단하기 위한 기준신호 설정단계(S130)와, 다중 채널을 통해 측정된 신호는 각 측정위치와 심장과의 거리의 차이로 인해 검출되는 신호의 시간적 차이가 존재하므로 다중채널 신호 간의 비교를 위하여 시간 보정단계(S140)와, 시간 보정단계(S140)를 통해 보정된 여러 채널의 신호의 주기시간을 기준신호의 주기시간과 비교하여 정상신호를 출력하기 위한 동잡음 판단 및 신호선택단계(S150)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the method for measuring a PPG signal robust to motion noise according to the present invention includes steps of measuring a PPG signal through a plurality of channels for receiving two or more PPG signals at a body end such as a finger, a toe, and an earlobe, A high frequency noise removing step (S120) for removing a signal noise in a high frequency band from a PPG signal measured in a PPG signal measuring step (S110) using a low pass filter, and a high frequency noise removing step (S120) A reference signal setting step (S130) for determining whether the signal is a signal in which motion noise is present in the removed PPG signal (S130), and a signal measured through multiple channels is a signal detected due to a difference in distance between each measurement position and the heart Since there is a temporal difference, the cycle time of the signals of the plurality of channels corrected through the time correction step (S140) and the time correction step (S140) And a dynamic noise determination and signal selection step (S150) for outputting a normal signal in comparison with the time.

다중채널을 통한 PPG 신호측정단계(S110)에서는 PPG 신호를 측정할 수 있는 다양한 신체 부위 중 어떠한 곳에서 신호를 측정할지를 정하는 것이 중요하다. 일반적으로 PPG 신호는 손가락, 발가락, 귓불과 같은 신체 말단에서 측정한다. 신체 말단에서 측정했을 경우 사용자의 움직임으로 인해 동잡음이 발생하기 쉽다. 따라서 같은 부위에 신체 말단에서 측정할 경우, 수신된 신호는 동일한 움직임의 영향을 받아 다중 수신된 신호 모두 동잡음의 포함된다. 수신된 여러 신호 중 동잡음이 포함되어 있는 경우는 동잡음을 제거하기 어렵다.In step (S110) of measuring a PPG signal over multiple channels, it is important to determine from which of the various body parts where the PPG signal can be measured to measure the signal. In general, PPG signals are measured at the extremities of the body, such as the fingers, toes, and earlobes. When measured at the end of the body, motion noise is likely to occur due to user's movement. Thus, when measured at the end of the body at the same site, the received signal is affected by the same motion, and all of the multiple received signals contain motion artifacts. It is difficult to remove the dynamic noise if the received signals contain dynamic noise.

반면, 서로 독립적인 움직임을 가질 수 있는 신체 말단 부위에서 신호를 측정할 경우에는 서로 다른 구간에서 동잡음이 발생할 수 있기 때문에 측정된 신호중 동잡음이 포함되지 않은 신호를 선택함으로써 다른 부위에서 발생한 동잡음을 제거할 수 있다.On the other hand, when the signal is measured at the end of the body that can have independent motion, motion noise may occur in different sections. Therefore, by selecting a signal that does not include motion noise among the measured signals, Can be removed.

하지만 이와 같이 서로 다른 부위에서 측정하였을 때 발생하는 문제점이 있다. 같은 신체 말단 부위에서 측정하는 것이 아니기 때문에 측정된 신호의 크기나 특성이 조금씩 차이가 난다. 따라서 움직임이 독립적으로 발생하는 신체 말단에서 다중수신을 통해 신호를 측정할 경우 각각의 신호의 크기를 유사하게 만들어야 한다.However, there is a problem that occurs when the measurement is performed at different sites. Because they are not measured at the same end of the body, the magnitude and characteristics of the measured signals are slightly different. Therefore, when the signal is measured through the multiple reception at the body end where the motion occurs independently, the size of each signal should be made similar.

본 발명의 고주파잡음 제거단계(S120)에서는 다중채널을 통한 PPG 신호측정단계(S110)에서 측정한 PPG 신호에 기계적, 물리적 특성에 의한 고주파 대역의 신호잡음이 존재한다. 이 고주파 대역의 신호잡음은 PPG 신호의 주기 검출에 있어 방해요인이 되므로 제거해야 한다. 고주파 잡음을 제거하기 위해서 저역통과필터를 사용한다. PPG 신호의 특성상 고주파 잡음이 PPG 신호의 스펙트럼 근처에 나타난다. 잡음을 제거하기 위해선 분할 능력이 뛰어난 필터를 사용해야 고주파 잡음을 제거할 수 있다. 그러므로 관심 대역 내에서 리플현상이 나타나지 않고, 필터의 분할 능력이 뛰어난 IIR 필터를 사용한다. IIR 필터의 종류는 Butterworth, Chebyshev, Elliptic 등 다양하지만, 보편적으로 사용되는 Butterworth 필터를 사용한다. 사용된 IIR 필터는 4차 Butterworth 필터이며 차단 주파수는 7Hz로 설정한다. 필터의 시스템 함수는 아래의 수학식 1과 같다.In the high frequency noise removing step (S120) of the present invention, the PPG signal measured in the step of measuring the PPG signal through the multiple channels (S110) has high frequency band signal noise due to mechanical and physical characteristics. The signal noise of this high frequency band is an obstacle to the detection of the period of the PPG signal and should be removed. A low-pass filter is used to eliminate high-frequency noise. Due to the characteristics of the PPG signal, high frequency noise appears near the spectrum of the PPG signal. In order to remove the noise, a high-dividing filter must be used to eliminate high-frequency noise. Therefore, an IIR filter which does not exhibit ripple phenomenon in the band of interest and has excellent filter splitting ability is used. Various types of IIR filters are available, such as Butterworth, Chebyshev, and Elliptic, but commonly used Butterworth filters. The IIR filter used is a 4th order Butterworth filter and the cutoff frequency is set to 7Hz. The system function of the filter is shown in Equation (1) below.

Figure 112013108626214-pat00001
Figure 112013108626214-pat00001

본 발명에 따른 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법의 고주파잡음 제거단계의 4차 IRR-Butterworth 필터 특성은 도 2에서와 같다.The characteristic of the fourth IRR-Butterworth filter of the high-frequency noise removing step of the PPG signal measuring method robust against motion noise according to the present invention is shown in FIG.

기준 신호 설정단계(S130)에서는 고주파 잡음이 제거된 신호에서 동잡음을 판단하기 위해서 기준신호를 도입한다. 일반적으로, PPG 센서를 신체 말단 부위에 부착하여 신호를 측정하면 센서의 특성상 초기에 진폭이 고르지 않은 비정상적인 신호가 측정되고 약 2초의 시간이 지나면 진폭이 고른 정상적인 신호가 측정된다. 따라서 정상적인 신호가 측정될 때, PPG 신호의 첫 번째 주기와 두 번째 주기를 비교하여 기준 신호를 정한다. PPG 신호는 보통 0.6~1.2초 정도의 주기를 갖기 때문에 측정한 PPG 신호의 약 3초간의 데이터를 분석하여 첫 번째 주기를 기준 신호로 설정한다. 측정한 PPG 신호의 특성이 사람마다 다르기 때문에 서로 다른 기준 신호를 갖게 된다.In the reference signal setting step (S130), a reference signal is introduced to determine motion noise in a signal from which high-frequency noise has been removed. Generally, when a signal is measured by attaching a PPG sensor to a body end portion, an abnormal signal whose amplitude is initially uneven is measured based on the characteristics of the sensor, and a normal signal with an amplitude is measured after about 2 seconds. Therefore, when a normal signal is measured, the reference signal is determined by comparing the first period and the second period of the PPG signal. Since the PPG signal has a period of about 0.6 to 1.2 seconds, the data of about 3 seconds of the measured PPG signal is analyzed and the first period is set as the reference signal. Since the characteristic of the measured PPG signal varies from person to person, they have different reference signals.

도 3은 임의의 두 사람의 기준 신호이다. 이는 사람마다 데이터를 분석하여 얻은 한 주기의 기준 신호가 서로 다른 특성을 가지고 있다. 따라서 사용자의 맥파 신호 특성을 그대로 반영한 기준 신호를 사용하므로 동잡음을 판단하기에 용이하다.Figure 3 is a reference signal of any two persons. This is because the reference signal of one cycle obtained by analyzing data for each person has different characteristics. Therefore, it is easy to judge the motion noise by using the reference signal that reflects the characteristics of the user's pulse wave signal as it is.

시간 보정단계(S140)는 설정된 기준 신호를 바탕으로 동잡음을 제거하기 위해선 다중화된 신호 간의 시간적 차이를 보정해야 한다. 보정하는 방법을 설명하기 위하여 임의의 두 신호를 가정한다. 첫 번째 수신부와 심장까지의 거리가 두 번째 수신부와 심장까지의 거리와 다르다. 따라서 이러한 거리차이에 의한 시간차이가 발생하게 된다. 동잡음이 발생된 신호를 정상적인 신호로 대체하는 과정에서 두 신호의 시간차이 때문에 위상이 일치하지 않는 문제점이 발생하게 된다. 그러므로 이러한 문제점을 해결하기 위하여 두 신호의 시간차이를 보정해야 한다. 두 신호의 시간차이는 상호상관기법을 적용한 아래의 수학식 2를 이용하여 계산한다.In the time correction step S140, in order to remove the motion noise based on the set reference signal, the time difference between the multiplexed signals should be corrected. Any two signals are assumed to illustrate how to calibrate. The distance from the first receiver to the heart is different from the distance from the second receiver to the heart. Therefore, a time difference due to the distance difference occurs. In the process of replacing the noise-generated signal with the normal signal, the phase difference does not coincide due to the time difference between the two signals. Therefore, in order to solve this problem, the time difference between the two signals must be corrected. The time difference between the two signals is calculated using the following Equation 2 using the cross-correlation technique.

Figure 112013108626214-pat00002
Figure 112013108626214-pat00002

여기서

Figure 112013108626214-pat00003
은 첫 번째 측정부위의 신호 x와 두 번째 측정부위의 신호 y를 상호상관기법을 적용한 결과이다. 신호 x와 신호 y가 N의 길이를 가진 데이터라고 할 때
Figure 112013108626214-pat00004
는 -(N-1)에서 N-1의 길이를 가진 데이터가 된다.
Figure 112013108626214-pat00005
의 m번째 데이터는 부호에 따라 달리 계산된다. m이 양수일 경우
Figure 112013108626214-pat00006
와 같이 계산되며 m이 음수일 경우에는 m이 양수일 경우의 데이터가 시간이 반전된 형태이다.here
Figure 112013108626214-pat00003
Is the result of applying the cross-correlation technique between the signal x of the first measurement site and the signal y of the second measurement site. Assuming that the signal x and the signal y are data having a length of N
Figure 112013108626214-pat00004
Becomes data having a length of N-1 in - (N-1).
Figure 112013108626214-pat00005
M < / RTI > of data is calculated differently depending on the sign. If m is positive
Figure 112013108626214-pat00006
If m is a negative number, the data in the case where m is a positive number is inverted in time.

상호상관기법을 적용하였을 때 신호는 크게 두 가지의 형태로 나타난다. 두 가지 형태는 시간 오차가 발생하지 않은 형태와, 시간 오차가 발생한 형태이다. 이러한 두 가지 형태를 그래프로 나타낸 것이 도 4이다.When the cross - correlation technique is applied, the signal has two types. Two types are the form in which no time error occurs and the form in which time error occurs. A graphical representation of these two forms is shown in FIG.

도 4의 (A)는 시간 오차가 발생하지 않은 형태이다. 이는 같은 부위에서 PPG 신호를 측정하였을 경우, 두 신호에 상호상관기법을 적용한 것을 나타낸 것이다. 그래프의 x축의 0인 지점에서 y축의 크기가 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 시간 오차가 발생한 형태에서 y축의 크기가 가증 큰 지점의 x축과 y축의 0과의 거리가 시간 오차를 반영한다. 이러한 방법으로 두 신호에서 3초 정도의 데이터를 추출하여 상호상관기법으로 두 신호 간의 시간 차이를 알아내고 두 신호의 시간 차이는 어느 한 신호를 시간 차이만큼 데이터를 이동시켜서 시간을 보정한다.4 (A) shows a state in which a time error does not occur. This indicates that the cross-correlation technique is applied to the two signals when the PPG signal is measured at the same site. It can be seen that the y-axis is the largest at the zero point of the x-axis of the graph. In this way, in the form of the time error, the distance between the x-axis and the y-axis at the large point where the size of the y-axis increases is reflected in the time error. In this way, we extract the data of about 3 seconds from the two signals, find the time difference between the two signals by the cross-correlation technique, and correct the time by moving the data of one signal to the time difference.

동잡음 판단 및 신호선택단계(S150)에서는 고주파 잡음을 제거하고, 다중화된 신호 간의 시간 보정과정을 거친 후에 동잡음을 제거한다. 동잡음 제거를 위해 통신분야에서 주로 사용하는 선택적 결합 기법을 참고한다. 선택적 결합 기법이란, 다중 수신기를 통해 얻을 수 있는 신호의 조합으로 각 가지에서 수신된 신호를 비교하여 각 구간별 최상의 신호를 출력함으로써 가장 이상적인 신호를 출력하는 방식이다. 동잡음 판단 및 신호선택에 대한 전체적인 흐름은 도 5와 같다.In the motion noise determination and signal selection step (S150), high frequency noises are removed, motion compensation is performed between the multiplexed signals, and motion noise is removed. Refer to the selective coupling technique that is mainly used in the field of communication to remove motion noise. The selective combining method is a method of outputting the most ideal signal by comparing the signals received from each branch by combining signals obtained from multiple receivers and outputting the best signal for each section. The overall flow of motion noise determination and signal selection is shown in FIG.

서로 다른 신체 말단 부위의 PPG 신호를 측정할 경우, PPG 센서의 특성상 투과되는 빛을 감지하여 맥파를 검출하기 때문에 수신된 신호는 피부의 두께와 같은 요소로 인하여 신호의 세기 차이가 난다. 이러한 신호의 크기를 기준신호와 비교하여 각각의 다중신호의 크기를 기준신호와 유사하도록 채널간 크기 조정단계(S151)를 통해 조정한다.When measuring the PPG signal at different body end regions, since the PPG sensor detects the transmitted light by detecting the pulse wave, the intensity of the received signal is different due to factors such as thickness of the skin. The size of such a signal is compared with a reference signal, and the magnitude of each of the multiple signals is adjusted through the interchannel size adjustment step S151 so as to be similar to the reference signal.

신호의 세기를 보정한 각각의 신호는 상기 시간 보정 방법을 사용하면 신호들 간의 시간차이를 알 수 있다. 이러한 시간 차이를 이용하여 채널간 위상 조정단계(S152)를 통해 시간 지연된 신호를 시간차이만큼 이동시켜 위상을 맞춘다.Each of the signals that have corrected the intensity of the signal can know the time difference between the signals using the time correction method. Using this time difference, phase adjustment is performed by shifting the time-delayed signal by a time difference through an inter-channel phase adjustment step (S152).

신호의 세기와 위상을 맞춘 각각의 신호들이 정상적인 신호인지 동잡음이 포함된 신호인지 판단하기 위해 채널간 동잡음 판단단계(S153)로 PPI를 측정한다. 상기 PPI(Peak to Peak Interval)는 한 주기 신호의 최대치와 다음 주기 신호의 최대치까지의 시간 간격을 의미한다.
측정된 PPI와 기준신호의 주기를 비교하여 기준신호의 주기와 약간의 오차범위 내에 PPI 간격이 존재하면, 이는 정상적인 신호로 판단한다. 만약 급격한 PPI의 변화가 나타난 경우 그 구간은 동잡음이 발생한 구간으로 판단하고, 다른 신호의 PPI를 검출한다. 만약 다른 신호의 PPI가 정상적인 범위 내에 존재한다면, 이를 정상 신호로 판단하여 출력하고, 수신된 신호 중 정상 신호가 한 신호 이상인 경우, 정상 신호로 판단된 신호 중 기준신호와 가장 유사한 신호를 선택하는 정상 신호 선택 단계(S154)를 포함한다.
The PPI is measured in step S153 to determine whether each of the signals matching the intensity and phase of the signal is a normal signal or a signal including motion noise. Peak to Peak Interval (PPI) means a time interval between a maximum value of one periodic signal and a maximum value of the next periodic signal.
If the period of the reference signal is compared with the measured PPI, if there is a PPI interval within the period of the reference signal and within a slight error range, it is judged as a normal signal. If a sudden change in PPI is detected, the interval is determined as the interval in which the noise is generated, and the PPI of the other signal is detected. If the PPI of the other signal is within the normal range, it is judged as a normal signal and outputted. If the normal signal of the received signal is more than one signal, the signal which is the most similar to the reference signal And signal selection step S154.

본 명세서에 기재된 본 발명의 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 관한 것이고, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 상술한 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 권리범위 내에 있게 된다.The embodiments of the present invention described in the present specification and the configurations shown in the drawings relate to the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to encompass all of the technical ideas of the present invention so that various equivalents It should be understood that water and variations may be present. Therefore, it is to be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and that various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. , Such changes shall be within the scope of the claims set forth in the claims.

Claims (7)

a) 신체 말단에서 다중채널을 통하여 PPG 신호를 측정하는 단계;
b) 상기 다중수신된 PPG 신호에서 저역통과필터(Low Pass Filter: LPF)를 사용하여 고주파 대역의 신호잡음을 제거하는 단계;
c) 기준 신호를 선정하는 단계;
d) 설정된 기준 신호를 바탕으로 상기 다중채널 PPG 신호에서 동잡음을 제거하기 위하여 상호상관기법을 적용해 다중화된 신호 간의 시간적 차이를 보정하는 단계;
e) 신호의 크기를 기준신호와 비교하여 정상신호를 출력하는 단계;
를 포함하는 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법.
a) measuring the PPG signal through multiple channels at the body end;
b) removing signal noise in the high frequency band using a low pass filter (LPF) in the multiple received PPG signals;
c) selecting a reference signal;
d) correcting a temporal difference between the multiplexed signals by applying a cross-correlation technique to remove motion noise in the multi-channel PPG signal based on the set reference signal;
e) comparing the magnitude of the signal with a reference signal to output a steady signal;
/ RTI > The method of claim 1, further comprising the steps of:
제 1항에 있어서,
상기 저역통과필터는 IIR필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the low-pass filter uses an IIR filter.
제 1항에 있어서,
상기 기준 신호는 신체 말단 부위에 PPG 센서를 부착하여 정상적인 신호가 측정되면 PPG 신호의 첫 번째 주기와 두 번째 주기를 비교하여 선정하는 것을 특징으로 하는 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reference signal is selected by comparing a first period and a second period of the PPG signal when a normal signal is measured by attaching a PPG sensor to a body end region.
제 1항에 있어서,
상기 정상신호는 신호의 크기를 기준신호와 비교하여 각각 다중신호의 크기를 기준신호와 신호의 세기 차이가 없도록 조정하고, 시간 보정 방법을 통해 시간이 지연된 신호를 지연된 시간차이만큼 이동시켜 위상을 맞추며 PPI를 측정하여 기준신호 주기와 비교를 통해 출력하는 것을 특징으로 하는 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법.
The method according to claim 1,
The normal signal compares the magnitude of the signal with the reference signal to adjust the magnitude of each of the multiple signals so that there is no intensity difference between the reference signal and the signal and adjusts the phase by moving the delayed signal by the delay time difference through the time correction method Measuring the PPI, and comparing the measured signal with the reference signal period to output the PPG signal.
제 4항에 있어서,
상기 측정된 PPI와 기준신호의 주기를 비교할 때, 기준신호의 주기와 오차범위 내에 PPI 간격이 존재하면 정상적인 신호로 판단하는 것을 특징으로 하는 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법.
5. The method of claim 4,
And comparing the period of the reference signal with the period of the measured PPI, if the period of the reference signal and the interval of the PPI exist within the error range, the signal is determined to be a normal signal.
제 4항에 있어서,
측정된 PPI와 기준신호의 주기를 비교할 때, 기준신호의 주기와 오차범위 이상에서 PPI 간격이 존재하면 동잡음이 발생한 구간으로 판단하여 다른 신호의 PPI를 검출하고, 다른 신호의 PPI가 정상적인 범위 내에 존재한다면 이를 정상신호로 판단하여 출력하는 것을 특징으로 하는 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법.
5. The method of claim 4,
When comparing the period of the reference signal with the period of the reference signal, if there is a PPI interval above the period of the reference signal and the error range, the PPI of the other signal is determined as the period in which the motion noise occurs. If the PPI of the other signal is within the normal range And if it is present, determines that the signal is a normal signal and outputs the signal as a normal signal.
제 4항에 있어서,
상기 정상신호가 한 신호 이상인 경우에는 정상 신호로 판단된 신호 중 기준신호와 PPI 간격이 최소가 되는 신호를 선택하는 것을 특징으로 하는 동잡음에 강건한 PPG 신호 측정 방법.
5. The method of claim 4,
And selecting a signal having a minimum PPI interval from the reference signal, which is determined as a normal signal, when the normal signal is more than one signal.
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