KR101628262B1 - Method and apparatus for heart rate calculation using frequency analysis - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주파수 분석을 이용하여 분당 심박 수를 산출하는 기술에 관한 것으로, 침대의 매트리스 아래에 설치된 압전 센서를 이용하여 심탄도 신호를 측정하여 수집하고, 수집된 심탄도 신호로부터 심박 신호를 검출하고, 검출된 심박 신호를 주파수 영역으로 변환하여 주파수 영역에서 첨두치를 갖는 주파수 성분을 분당 심박 수로 산출하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention relates to a technique for calculating the heart rate per minute using frequency analysis. The heart rate signal is measured and collected using a piezoelectric sensor provided under a mattress of a bed, a heart rate signal is detected from the collected heart ballistic signal And a method and an apparatus for converting a detected heartbeat signal into a frequency domain and calculating a frequency component having a peak value in the frequency domain as a heartbeat rate per minute.

Description

주파수 분석을 이용한 심박 수 산출 방법 및 그 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR HEART RATE CALCULATION USING FREQUENCY ANALYSIS}[0001] METHOD AND APPARATUS FOR HEAT RATE CALCULATION [0002] USING FREQUENCY ANALYSIS [0003]

본 발명은 주파수 분석을 이용한 심박 수 산출 방법 및 그 장치에 관한 기술로, 보다 상세하게는 침대에 누운 상태의 사용자로부터 압전 센서를 이용하여 측정된 심탄도 신호를 주파수 분석을 통하여 사용자의 분당 심박 수를 산출하는 기술에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a heart rate calculation method using frequency analysis and a technique related to the heart rate calculation method using frequency analysis. More specifically, the present invention relates to a heart rate measurement method using a piezoelectric sensor from a user lying on a bed, Quot;). ≪ / RTI >

본 발명은 미래창조과학부 및 정보통신기술진흥센터의 지식경제 기술혁신사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호:R0101-14-0305, 과제명: 비접촉식 무자각 센서 기반 스마트 헬스케어 침대 개발].The present invention was derived from research carried out as part of the knowledge economy technology innovation project of the future creation science department and the information and communication technology promotion center [task control number: R0101-14-0305, project name: smart healthcare based on non- Bed development].

심탄도(BCG; ballistocardiogram)는 심장의 수축과 이완에 따라 심장과 혈관에서의 혈류변화에 따른 탄도를 계측한 신호를 의미하고, 통상 신호의 측정범위는 0 ~ 7mg, 주파수 범위는 0 ~ 40Hz로 이루어진다.Ballistocardiogram (BCG) is a signal that measures the trajectory of a heart as a result of blood flow changes in the heart and blood vessels as a result of contraction and relaxation of the heart. Usually, the range of the signal is 0 to 7 mg and the frequency range is 0 to 40 Hz .

이러한 심탄도(Ballistocardiogram: BCG) 신호는 심전도(Electrocardiogram: ECG) 신호와 함께 사용자의 심장 박동에 대한 정보를 전기적 신호로 나타낸다.Such a ballistocardiogram (BCG) signal, together with an electrocardiogram (ECG) signal, represents the information about the user's heartbeat as an electrical signal.

심전도(ECG) 신호는 사람의 몸에서 심장에 가까운 부분에 전극을 부착하고 심장 박동 시 근육에서 발생하는 미세한 전기적 신호를 측정한다. ECG 신호는 각종 심장병에 대한 분석이 가능한 형태이며 주로 의료용으로 측정되고 분석되는 신호이다. Electrocardiogram (ECG) signals attach electrodes to parts of the body close to the heart and measure minute electrical signals from the muscles during heartbeat. The ECG signal is a form that can be analyzed for various heart diseases and is a signal that is mainly measured and analyzed for medical use.

반면, 심탄도(BCG) 신호는 심장 박동에 대한 미세한 진동을 측정한 신호로 심장 근육의 움직임을 전기적 신호로 표현할 수는 없지만 분당 심박 수 등에 대한 정보를 포함하고 있다. 또한, 심탄도(BCG) 신호는 신체에 특별한 전극이나 센서를 부착할 필요가 없어 무구속적, 무자각적으로 사용자의 심박 신호를 측정할 수 있는 장점이 있다. On the other hand, the BCG signal is a signal that measures the minute vibration of the heartbeat. It can not express the movement of the heart muscle as an electrical signal, but it contains information on the heart rate per minute. In addition, the BCG signal is advantageous in that the user can measure the heartbeat signal of the user without restriction, because it is unnecessary to attach a special electrode or sensor to the body.

심탄도(BCG) 신호는 주로 사용자가 침대에 누운 상태에서 측정되는데 침대 아래에서 침대 전체의 미세한 무게 변화(Load Cell)를 감지하여 측정할 수도 있으며, 압력 센서(Pressure Sensor), 압전 센서(Piezoelectric Sensor) 등을 통해서도 측정이 가능하다. 이 때 측정되는 신호에는 호흡과 움직임 및 잡음 신호가 함께 측정되며, 측정 시 신호에 영향을 주는 요소는 사용자의 누운 자세, 입은 옷은 재질 및 두께, 매트리스의 종류 등이 있다.The BCG signal is measured mainly when the user is lying on the bed. It can detect the load cell of the entire bed under the bed and measure it. The pressure sensor, the piezoelectric sensor ) Can also be measured. In this case, respiration, movement, and noise signals are measured together. In the measurement, factors affecting the signal include the user's lying position, the material and thickness of the clothes, and the type of the mattress.

무구속적으로 심탄도(BCG) 신호를 검출하는 방법에 대한 연구도 최근 활발하게 이루어 지고 있으며, 압전 센서(Piezoelectric Sensor)를 침대의 바닥면에 매트릭스 형태로 배열하는 방법과 무게 변화(Load Cell)를 이용하여 미세한 진동을 측정하는 방법 등이 있다. 무게 변화(Load Cell)을 이용한 방식은 침대에서 수면 시 측정할 수도 있으며, 상용 체중계로 체중을 측정하는 동안 측정하는 방법이 있다. A method of detecting BCG signals without restraint has been actively performed recently. A method of arranging a piezoelectric sensor on a bottom of a bed in a matrix form and a method of changing a weight cell (load cell) And a method of measuring minute vibrations using the above method. The method of using the weight cell (load cell) can be measured when sleeping in the bed, and there is a method of measuring while measuring the weight with a commercial scale.

종래의 심탄도 신호의 측정 기술에서는, 사용자(피검사자)의 몸무게, 키, BMI, 연령 및 성별에 따라 센서에서 측정되는 심탄도 신호의 세기가 달라질 수 있다. 지방은 근육보다 완충효과가 크기 때문에 심박 및 호흡에 의한 압력이 변화를 완충하며, 근육량 또한 근육이 없는 경우보다 근육이 많은 경우 완충효과가 커지게 되어, 근육량이 많은 경우에도 심박 및 호흡 신호의 세기가 달라질 수 있다.In the conventional technique of measuring the heart ballistic signal, the intensity of the heart ballistic signal measured by the sensor may vary depending on the weight, key, BMI, age, and gender of the user (subject). Because the fat is more effective than the muscle, the pressure due to heartbeat and respiration cushions the change, and when the muscle is more muscular, the buffer effect becomes larger than when the muscle is not muscle. .

또한, 일반적인 증폭기회로(Amplifier)는 이득(Gain)이 높을수록 측정범위(Range)가 작아지는 특성이 있는데, 심탄도 신호는 일반적인 센서 가운데에서도 이득이 높은 편에 속하므로 팔을 휘두르거나 기침을 허가나 하는 작은 움직임에도 쉽게 포화(Saturation) 신호를 나타낸다. 따라서 움직임이 포함된 신호에서는 호흡 및 심박 수 파형이 관찰되지 않으며 이는 신호처리 기술로 복원해낼 수 없는 문제점이 있다.Also, since a general amplifier circuit has a characteristic in which the measurement range (range) becomes smaller as the gain becomes higher, the heart ballistic signal has a higher gain than a general sensor. Therefore, It is easy to see the saturation signal even in small movements. Therefore, the respiration and heart rate waveforms are not observed in the signal including the motion, which can not be restored by the signal processing technology.

이러한 심탄도 신호를 측정할 때 발생하는 오차를 줄이기 위하여 피검사자가 수면 중일 때 측정하는 종래의 기술로 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0712198호 "무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치"에 관한 기술이 있다. In order to reduce the error that occurs when measuring the cardiac tropon signal, a conventional technique for measuring when a subject is under water is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-0712198 entitled " .

종래 기술은 침대에 무게 변화(Load Cell)를 이용하여 대상자의 수면중에 심탄도를 측정할 수 있도록 하는 장치를 제안하고 있다. 이와 같은 장치는 침대의 소정 위치에 장착되어 피측정자의 무게를 감지하는 무게 변화(Load Cell), 이 무게 변화(Load Cell)의 출력 중 저대역 신호를 출력하는 저역통과필터, 무게 변화(Load Cell)의 출력 중 고대역 신호를 출력하는 고역통과필터, 저역통과필터와 고역통과필터의 출력 중의 어느 하나를 선택하는 멀티플렉서, 이 멀티플렉서를 통해 입력되는 저역통과필터 또는 고역통과필터의 출력인 저대역 신호와 고대역 신호로부터 피측정자의 수면정보를 검출하여 피측정자의 수면 구조를 판단하는 콘트롤러 및, 이 콘트롤러의 판단결과를 표시하는 표시부로 이루어져, 수면시 침대에서 피측정자의 움직임시 발생하는 무게변화를 측정하여 피측정자의 무게측정, 침대 내 무게중심 변화 등을 판단하고, 수면자의 움직임 변화/세기 측정과 자세변화 및 심박의 특성 등을 판단하여 이로부터 수면자의 수면 구조를 분석할 수 있도록 한다.The prior art suggests a device for measuring the cardiac trajectory during a subject's sleep using a load cell in a bed. Such a device includes a load cell that is mounted at a predetermined position of the bed and senses the weight of the subject, a low-pass filter that outputs a low-band signal from the output of the weight cell, A high-pass filter for outputting a high-band signal, an output of a low-pass filter and a high-pass filter, a low-pass filter which is an output of a low-pass filter or a high-pass filter input through the multiplexer, And a controller for determining the sleep structure of the subject by detecting the sleeping information of the subject from the high-band signal, and a display unit for displaying the determination result of the controller. The measurement of the weight of the subject and the change of the center of gravity in the bed are judged, and the change / intensity measurement of the sleeping person, the attitude change and the heartbeat And to analyze the sleeping structure of the sleeping person.

이와 같은 기술은 침대에 하나 이상의 무게 변화(Load Cell)을 이용함으로써 수면구조를 분석하는 것을 주요 목적으로 하고, 이때 부가적으로 심탄도의 측정이 가능하다고 언급하고 있다. 그러나, 이와 같은 종래기술에 따르더라도 심탄도 신호와 함께 피검사자의 호흡 및 움직임에 따른 오차를 줄이기 어려운 문제점이 있다.Such a technique is described as a main purpose of analyzing the sleep structure by using one or more weight cells (Load Cell) in the bed, and it is mentioned that it is possible to additionally measure the cardiac trajectory. However, according to the related art, there is a problem that it is difficult to reduce errors due to respiration and movement of the testee in addition to the heart ballistic signal.

따라서, 피검사자의 심탄도 검사시 피검사자가 익숙하지 않은 상태에서 수면을 취할 시 발생하는 불편을 최소화 하고, 피검사자가 수면시 측정되는 심탄도 신호의 오차를 줄여 검사 결과의 신뢰도를 높이는 방법이 요구된다.Therefore, it is required to minimize the inconvenience that occurs when the examinee takes the sleeping state in an unfamiliar state and to reduce the error of the cardiac trajectory signal measured at the time of sleeping, thereby improving the reliability of the test result.

한국등록특허 제10-0712198호 (등록일 2007.04.20)Korean Patent No. 10-0712198 (Registered on Apr. 20, 2007)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 도출된 것으로서, 주파수 분석을 이용하여 분당 심박 수를 산출하는 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for calculating a heart rate per minute using frequency analysis.

구체적으로, 본 발명은 주파수 분석을 이용하여 분당 심박 수를 산출하는 기술에 관한 것으로, 침대의 매트리스 아래에 설치된 압전 센서를 이용하여 심탄도 신호를 측정하여 수집하고, 수집된 심탄도 신호로부터 심박 신호를 검출하고, 검출된 심박 신호를 주파수 영역으로 변환하여 주파수 영역에서 첨두치를 갖는 주파수 성분을 분당 심박 수로 산출하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.More particularly, the present invention relates to a technique for calculating the heart rate per minute using frequency analysis, wherein a heart ballistic signal is measured and collected using a piezoelectric sensor provided under a mattress of a bed, And a method and an apparatus for converting a detected heartbeat signal into a frequency domain and calculating a frequency component having a peak value in the frequency domain as a heartbeat rate per minute.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 심박 수 산출 방법은 압전 센서(Piezoelectric sensor)를 이용하여 측정된 사용자의 심탄도(Ballistocardiogram: BCG) 신호를 수집하는 단계, 상기 수집된 상기 심탄도 신호로부터 상기 사용자의 심박 신호를 검출하는 단계, 상기 검출된 상기 심박 신호를 푸리에 변환(Fourier Transform)을 이용하여 주파수 영역으로 변환하는 단계, 상기 주파수 영역으로 변환된 심박 신호의 주파수 첨두치(Peak)를 이용하여 분당 심박 수를 산출하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a heart rate calculation method comprising: collecting a ballistocardiogram (BCG) signal of a user measured using a piezoelectric sensor; Detecting a heartbeat signal of the user from the heart balloon signal; converting the detected heartbeat signal into a frequency domain using a Fourier transform; calculating a frequency peak of the heartbeat signal converted into the frequency domain; And calculating a heart rate per minute using a peak.

상기 검출하는 단계는 이동 표준편차 필터(Moving Standard Deviation Filter: MSDF)를 이용하여 상기 심탄도 신호로부터 상기 심박 신호를 검출할 수도 있으며, 상기 이동 표준편차 필터를 이용하여, 상기 심탄도 신호의 잡음 성분을 제거하여 상기 심박 신호를 검출할 수도 있다.The detecting step may detect the heartbeat signal from the heart ballistic signal using a moving standard deviation filter (MSDF). The moving standard deviation filter may be used to detect a noise component So that the heartbeat signal can be detected.

또한, 미리 결정된 윈도우 크기와 상기 윈도우 크기에서의 상기 심탄도 신호의 평균 값을 이용하여 상기 심탄도 신호와 상기 평균 값의 이동 표준 편차(Moving Standard Deviation)를 연산하고, 상기 연산된 상기 이동 표준 편차를 이용하여 상기 심탄도 신호로부터 상기 심박 신호를 검출할 수 있다.Calculating a moving standard deviation of the cardiac trajectory signal and the average value using a predetermined window size and an average value of the cardiac traction signals in the window size, The heartbeat signal can be detected from the heart ballistic signal.

상기 산출하는 단계는 상기 주파수 영역으로 변환된 심박 신호 중 미리 결정된 주파수 범위에서의 상기 주파수 첨두치를 이용하여 상기 분당 심박 수를 산출할 수 있다. 이때, 미리 결정된 주파수 범위는 0.67Hz ~ 3.33Hz인 것을 특징으로 한다.And the calculating step may calculate the heart rate per minute using the frequency peak value in a predetermined frequency range from among the heart rate signals converted into the frequency domain. At this time, the predetermined frequency range is 0.67 Hz to 3.33 Hz.

심박 수 산출 장치는 압전 센서(Piezoelectric sensor)를 이용하여 측정된 사용자의 심탄도(Ballistocardiogram: BCG) 신호를 수집하는 심탄도 신호 수집부, 상기 수집된 상기 심탄도 신호로부터 상기 사용자의 심박 신호를 검출하는 심박 신호 검출부, 상기 검출된 상기 심박 신호를 푸리에 변환(Fourier Transform)을 이용하여 주파수 영역으로 변환하는 주파수 영역 변환부, 상기 주파수 영역으로 변환된 심박 신호의 주파수 첨두치(Peak)를 이용하여 분당 심박 수를 산출하는 분당 심박 수 산출부를 포함한다.The heart rate calculation apparatus includes a heart ballistic signal collection unit for collecting a user's ballistocardiogram (BCG) signal measured using a piezoelectric sensor, a heart rate signal acquisition unit for detecting the heart rate signal of the user from the collected heart- A frequency domain transformer for transforming the detected heartbeat signal into a frequency domain using a Fourier transform, a frequency domain converter for converting the frequency domain of the heartbeat signal into a frequency domain signal, And a heartbeat rate calculating unit for calculating a heartbeat rate.

본 발명은 주파수 분석을 이용하여 분당 심박 수를 산출하는 기술에 관한 것으로, 압전 센서를 이용함으로써, 피검사자의 몸에 각종 검사 장비를 직접 부착하지 않음으로써, 실험이 간단해지며 피검사자의 불편을 최소화할 수 있다.The present invention relates to a technique for calculating the heart rate per minute by using frequency analysis. By using a piezoelectric sensor, it is possible to simplify the experiment by minimizing the inconvenience of the examinee by not attaching various test equipment directly to the testee's body .

또한, 피검사자로부터 압전 센서를 통하여 심탄도 신호를 수집하고 수집된 심탄도 신호로부터 심박 신호를 검출하고, 검출된 심박 신호를 푸리에 변환을 이용하여 주파수 영역으로 변환하고, 주파수 영역에서 첨두치를 갖는 주파수 성분을 분당 심박 수로 산출함으로써, 측정된 값의 오차를 줄여 검사 결과에 대한 신뢰도를 높일 수 있다.In addition, a heart valve signal is collected from a subject through a piezoelectric sensor, a heartbeat signal is detected from a collected heart balloon signal, a detected heartbeat signal is converted into a frequency domain using Fourier transform, a frequency component having a peak value in a frequency domain Is calculated as the heart rate per minute, the reliability of the test result can be increased by reducing the error of the measured value.

또한, 본 발명의 주파수 분석을 이용하여 분당 심탄도(BCG) 신호에 대한 심박 신호의 주기를 산출하므로 심박의 주기를 산출하는데 실제 관측하는 관측 결과보다 정확한 결과값을 얻을 수 있다.In addition, since the frequency of the heartbeat signal for the BCG signal is calculated using the frequency analysis of the present invention, the heartbeat period can be calculated more accurately than the actual observation result.

또한, 본 발명은 압전 센서와 주파수 분석을 통하여 심박 수를 검출하기 때문에 무구속적이고 무자각적인 비침습적(Non-invasive) 방법을 사용하면서 검사 결과에 대한 신뢰도를 높일 수 있고, 이는 유헬스케어(u-Healthcare) 분야에서 수면 중 심박 변이(Heart Rate Variability)에 관련된 증상들을 자동으로 감지할 수 있는 기술에 대한 근간을 제공할 수 있다. In addition, since the present invention detects the heart rate through the frequency analysis of the piezoelectric sensor, it is possible to increase the reliability of the test result using non-invasive and non-invasive methods, u-Healthcare) can provide a basis for a technique that can automatically detect symptoms related to the Heart Rate Variability during sleep.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 심탄도 신호를 수집하는 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 심박 수 산출 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호(Electrocardiogram: ECG) 신호에서의 심박 신호(Heart beat), 분당 심박 수(Heart Rate), 심박 변이(Heart Rate Variability)를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서를 이용하여 측정된 심탄도 신호를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 표준편차 필터를 이용한 심탄도 신호를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 변환을 이용하여 주파수 영역으로 변환된 심박 신호를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박 수 산출 장치를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 심탄도 신호와 심전도 신호를 비교하여 나타낸 도면이다.
1 is a view showing a configuration for collecting a cardiac tidal signal according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a heart rate calculation method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a heart beat, a heart rate, and a heart rate variance in an electrocardiogram (ECG) signal according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view showing a heart ballistic signal measured using a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a heart ballistic signal using a moving standard deviation filter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a heartbeat signal converted into a frequency domain using Fourier transform according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
7 is a view illustrating a heart rate calculation apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph illustrating a comparison between a cardiac troposphere signal and an electrocardiogram signal according to an embodiment of the present invention.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.Other objects and features of the present invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description 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.

그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.However, the present invention is not limited to or limited by the embodiments. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 심탄도 신호를 수집하는 구성을 도시한 도면이다.1 is a view showing a configuration for collecting a cardiac tidal signal according to an embodiment of the present invention.

사용자(피검사자)의 심탄도 신호(Ballistocardiogram: BCG)를 수집하기 위해서는 심탄도 신호를 측정할 수 있는 압전 센서(Piezoelectric Sensor: Emfit, Finland, Bed Sensor L-4060SL)(110), 압전 센서(110)에서 측정된 사용자의 심탄도 신호의 아날로그 신호를 샘플링(Sampling)하여 PC로 전송하는 데이터 수집보드(Acquisition Board) 및 데이터 수집보드로부터 전송 받은 사용자의 심탄도 신호를 가공 가능한 형태로 저장하는 PC와 수집 어플리케이션(Acquisition Application)으로 구성될 수 있다.A piezoelectric sensor 110 for measuring a cardiac trajectory signal, a piezoelectric sensor 110 for measuring a cardiac tilt signal, a bed sensor L-4060SL for measuring a heart balloonsignal (BCG) A data acquisition board that samples the analog signal of the user's heart ballistic signal measured by the user and transmits it to the PC and a PC that stores the user's heart ballistic signal transmitted from the data acquisition board in a form that can be processed, And can be configured as an application (Acquisition Application).

이때, 사용자의 심탄도 신호를 가공 가능한 형태로 저장하는 기기는 PC, 수집 어플리케이션뿐만 아니라 스마트폰, 태블릿 PC, 등 디스플레이 가능한 모든 전자기기를 포함할 수 있다.At this time, the device that stores the user's heart ballistic signal in a machinable form can include not only a PC, a collection application, but also all displayable electronic devices such as a smart phone, a tablet PC, and the like.

압전 센서(110)는 병원용 침대의 바닥과 매트리스 사이에 설치하며 사용자가 누운 자세에서 가장 표면적이 넓은 등 쪽에 위치하도록 배치한다. 이후, 데이터 수집보드(Acquisition Board)는 압전 센서(110)에서 발생되는 사용자의 심탄도 신호를 아날로그 앰프(Analog Amp)(120)를 통해 증폭하고, 증폭된 심탄도 신호는 아날로그 디지털 컨버터(Analog Digital Converter: ADC)(130)로 12bit(0~4095) 분해능과 100 Samples/sec 주기로 측정한다. 이후, 데이터 수집보드(Acquisition Board)는 아날로그 디지털 컨버터로 측정된 사용자의 심탄도 신호를 시리얼 통신(serial communication)을 이용하여 RS232를 거쳐 PC에 전송한다.The piezoelectric sensor 110 is disposed between the floor of the hospital bed and the mattress, and is disposed so that the user is positioned on the back surface having the largest surface area in the lying position. Thereafter, the data acquisition board amplifies the user's heart ballistic signal generated by the piezoelectric sensor 110 through an analog amplifier 120, and the amplified heart ballistic signal is converted into an analog digital signal (0 to 4095) resolution and 100 Samples / sec. Then, the data acquisition board transmits the user's heart ballistic signal measured by the analog digital converter to the PC via RS232 using serial communication.

이때, 압전 센서(110)는 병원용 침대에 적용될 수 있으나 병원용 침대뿐만 아니라 휠체어 의자 아래, 방석 등 사용자와 표면적으로 맞닿아 측정이 가능한 사물에 이용될 수 있다.At this time, the piezoelectric sensor 110 can be applied to a hospital bed, but it can be used not only for a hospital bed, but also for a thing that can be measured by touching with a user such as a cushion under a wheelchair chair.

압전 센서(110)는 사람의 체중 변화를 미세하게 감지할 수 있도록 설계되어 일반적으로 분해능(Resolution)이 매우 높으며, 압전 센서(110)는 압력이 아닌 압력의 변화량, 즉, 충격력을 측정하므로 사용자가 매트리스에서 검사를 받는 경우 매트리스의 두께나 재질에 따라 측정결과의 신뢰도가 달라질 수 있다. 보다 구체적으로는 충격력을 완충하지 않는 재질일수록, 또한 충격력을 완충할 수 있는 재질이라 하더라도 충격력을 완충하지 않을 정도의 두께일수록 측정결과의 신뢰도가 높아진다. 예를 들어, 스펀지 매트리스보다 금속 재질의 스프링 매트리스에서 더욱 선명한 심박 파형을 얻을 수 있다.Since the piezo-electric sensor 110 is designed to detect minute changes in a person's body weight, the resolution is generally very high. The piezo-electric sensor 110 measures the amount of change in pressure, Depending on the thickness and material of the mattress, the reliability of the measurement results may vary when the mattress is inspected. More specifically, the reliability of the measurement result increases as the material that does not buffer the impact force and the material that can cushion the impact force do not buffer the impact force. For example, a spring mattress made of metal rather than a sponge mattress can provide a clearer heartbeat waveform.

비슷한 원리로, 인체의 지방은 근육보다 완충효과가 크기 때문에 심박, 호흡에 의한 압력의 변화를 완충하는 효과를 나타낼 것이다. 근육량 또한 근육이 없는 경우보다, 근육이 많은 경우에 그 완충효과가 크다고 볼 수 있으므로 근육량이 많을 경우에도 심박 및 호흡 신호가 약하게 측정될 것이다.On a similar principle, the fat of the human body will have a buffering effect than the muscles, so it will have the effect of buffering changes in pressure due to heartbeat and respiration. Because muscle mass is also more effective in the case of many muscles than in the absence of muscles, the heart rate and breathing signals will be measured weakly even when the muscle mass is high.

이처럼 압전 센서(110)는 측정 환경, 피측정자(피검자)의 체성분에 의하여 그 측정 결과의 신뢰도가 달라지므로 측정 결과의 신뢰도를 높이기 위한 알고리즘을 본 발명을 통하여 제안하고자 하는 데에 본 발명의 목적이 있다. 또한 피측정자의 몸무게, 키, BMI 수치뿐만 아니라 피측정자의 연령 또는 성별에 의한 변인도 심탄도 측정 결과의 신뢰도에 영향을 줄 수 있을 것이다. 예상되는 결과는 비만도가 증가할수록 센서에서 측정되는 신호의 세기는 작아지는 것이다. 본 발명은 후술할 내용에 의하여 이러한 다양한 변인에 대처하여 신뢰도를 높이는 알고리즘을 제안할 것이다.Since the reliability of the measurement result depends on the measurement environment and the body composition of the subject (subject), the piezoelectric sensor 110 intends to propose an algorithm for increasing the reliability of the measurement result through the present invention. have. In addition, not only the subject's weight, height, BMI, but also the age or gender of the subject may influence the reliability of the cardiac trajectory measurement results. The expected result is that as the obesity degree increases, the intensity of the signal measured by the sensor decreases. The present invention will propose an algorithm for improving reliability by coping with various variables according to the contents described later.

압전 센서(110)는 심장과 가까운 위치에 설치될수록 신호가 선명하고 크게 측정된다. 심장으로부터 발생하는 심탄도 신호가 몸 전체로 전달되는데 소요되는 시간이 있으므로 넓은 면적에서 측정할 경우 좁은 면적에서 보다 심박 신호가 더 뚜렷하지 않을 수 있다.As the piezoelectric sensor 110 is installed close to the heart, the signal is clearly and largely measured. Because of the time it takes for the heartbeat signal from the heart to be delivered to the entire body, the heartbeat signal may be less pronounced than at a narrow area when measured over a large area.

압전 센서(110)는 전자 충방전식의 소자로 일정 주기에 맞춰 전자의 충전, 방전이 교대로 발생한다. 하지만 센서를 오래 사용할수록 충전과 방전이 제때 이루어지지 않아 그 민감도가 떨어진다. 일반적으로 널리 사용되는 압전 센서는 그 수명을 약 5년으로 설정하는 것으로 알려져 있는데, 실제로는 2년 정도의 기간이 경과한 후부터는 민감도가 떨어지는 현상이 보고되기도 하였다.The piezoelectric sensor 110 is an electron charging / discharging type device, and charging and discharging of electrons alternately occur in a certain period. However, as the sensor is used for a long time, the charge and discharge are not made on time, which reduces the sensitivity. In general, it is known that a widely used piezoelectric sensor sets its life to about 5 years. In fact, it has been reported that the sensitivity is lowered after about 2 years.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 심박 수 산출 방법을 나타내는 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a heart rate calculation method according to an embodiment of the present invention.

사용자(피검사자)의 심탄도 신호로부터 심박 수를 산출 방법은 압전 센서(Piezoelectric sensor)를 이용하여 측정된 사용자의 심탄도(Ballistocardiogram: BCG) 신호를 수집하고(S210), 수집된 심탄도 신호로부터 사용자의 심박 신호를 검출한다(S220). 이때, 이동 표준편차 필터(Moving Standard Deviation Filter: MSDF)를 이용하여 사용자의 심탄도 신호로부터 심박 신호를 검출할 수 있다. The method for calculating the heart rate from the heart trajectory signal of the user (subject) includes collecting the ballistocardiogram (BCG) signal of the user measured using a piezoelectric sensor (S210) The heartbeat signal is detected (S220). At this time, a heart rate signal can be detected from a user's heart ballistic signal using a moving standard deviation filter (MSDF).

또한, 이동 표준편차 필터를 이용하여 사용자의 심탄도 신호의 잡음 성분을 제거하여 심박 신호를 검출할 수도 있다. 이때, 잡음 성분은 사용자의 호흡 신호, 사용자의 움직임 또는 뒤척임에 따른 신호 및 잡음을 포함한다.In addition, it is also possible to detect a heartbeat signal by removing a noise component of a user's heart ballistic signal using a moving standard deviation filter. At this time, the noise component includes a user's respiration signal, a signal due to the user's movement or movement, and noise.

또한, 미리 결정된 윈도우 크기(Sliding Window Size)와 윈도우 크기에서의 심탄도 신호의 평균 값을 이용하여 심탄도 신호와 평균 값의 이동 표준편차(Moving Standard Deviation)를 연산하고, 연산된 이동 표준편차를 이용하여 사용자의 심탄도 신호로부터 심박 신호를 검출할 수도 있다.Also, the moving standard deviation of the heartbeat signal and the mean value is calculated using a predetermined sliding window size and the average value of the heart ballistic signal at the window size, and the calculated moving standard deviation is calculated The heartbeat signal can be detected from the user's heart ballistic signal.

이후, 검출된 심박 신호를 푸리에 변환(Fourier Transform)을 이용하여 주파수 영역(Frequency Spectrum)으로 변환하고(S230), 주파수 영역으로 변환된 사용자의 심박 신호의 주파수 첨두치(Peak)를 이용하여 분당 심박 수를 산출한다(S240).Thereafter, the detected heartbeat signal is converted into a frequency spectrum using a Fourier transform (S230), and the heartbeat signal is converted into a frequency domain using the frequency peak value Peak of the user's heartbeat signal, (S240).

주파수 스펙트럼으로부터 심박 수의 대표 주파수를 찾는 방법은 최대값을 찾는 방법 또는 중간 주파수를 찾는 방법이 있다. 중간 주파수를 찾는 방법은 주파수 스펙트럼 구간을 2등분 하는 주파수를 찾는 방법을 의미하며, 위와 같은 방법으로 심박 수 주파수를 찾을 경우 잡음 성분의 영향이 크게 반영될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 심박 수의 대표 주파수를 찾기 위하여 최대값을 찾는 방법을 이용한다. 최대값을 찾는 방법을 이용하면 중간 주파수를 찾는 방법보다 고주파의 잡음이나 저주파의 잡음 성분의 영향을 줄일 수 있어 더 우수한 성능을 나타낸다.The method of finding the representative frequency of the heart rate from the frequency spectrum is to find the maximum value or to find the intermediate frequency. The method of finding the intermediate frequency means a method of finding a frequency that divides the frequency spectrum section into two halves. When the heart rate frequency is found by the above method, the influence of the noise component can be largely reflected. Therefore, in the present invention, a method of finding the maximum value is used to find the representative frequency of the heart rate. The method of finding the maximum value is more effective than the method of finding the intermediate frequency because it reduces the influence of the high frequency noise or the low frequency noise component.

이때, 주파수 영역(Frequency Spectrum)으로 변환된 심박 신호 중 미리 결정된 주파수 범위에서의 주파수 첨두치(peak)를 이용하여 분당 심박 수를 산출할 수도 있으며, 미리 결정된 주파수 범위는 0.67Hz ~ 3.33Hz일 수도 있다.At this time, the heart rate per minute may be calculated using the frequency peak value in a predetermined frequency range among the heart rate signals converted into the frequency spectrum (Frequency Spectrum), and the predetermined frequency range may be 0.67 Hz to 3.33 Hz have.

예를 들어, 미리 결정된 주파수 범위에서의 주파수 첨두치(peak)만을 1분 동안 카운팅하여 분당 심박 수를 산출할 수 있다. 또한, 미리 결정된 주파수 범위 이외에도 주파수 범위를 경우에 따라 다르게 설정할 수도 있다.For example, the heart rate per minute can be calculated by counting only the frequency peak in a predetermined frequency range for one minute. In addition to the predetermined frequency range, the frequency range may be set differently depending on the case.

종래에는 대부분 심박 첨두치(peak)의 위치를 정확히 찾기 위해 피크 검출(Peak Detection) 방식을 사용해왔다. 이를 위해 원신호로부터 심박 피크의 위치를 표현할 수 있는 특징 신호를 여러 개(보통 3개)를 산출하여 심박 피크의 위치 후보군을 형성하고 형성된 후보군들로부터 심박 피크의 위치를 파악한다. 파악 후에도 심박의 주기 정보, 확률 밀도 정보 등을 활용하여 이를 재귀적으로 보정한다. 이러한 방법은 연산량이 매우 높아 실시간으로 구현하기 어렵다는 단점이 있다.Conventionally, a peak detection method has been used to accurately locate the position of the peak of the heartbeat. For this purpose, a number of feature signals (usually three) that can represent the position of the heartbeat peak from the original signal are calculated to form a position candidate of the heartbeat peak, and the position of the heartbeat peak is determined from the formed candidates. The heartbeat period information and the probability density information are utilized to recursively correct the heartbeat. This method has a disadvantage that it is difficult to implement in real time because of high computation amount.

본 발명에서는 특징 신호를 한 개만 산출하고(이동 표준편차 신호) 잡음과 대조적인 심박의 신호를 추출하고 주파수 분석을 통해 간접적인 심박의 횟수를 산출하므로 그 연산량이 이전 연구들에 비해 적으며, 실시간(300ms 이하, 16Mhz 프로세서)로 동작이 가능한 장점이 있다.In the present invention, since only one characteristic signal is calculated (moving standard deviation signal), the signal of the heartbeat in contrast to the noise is extracted, and the frequency of the indirect heartbeat is calculated through the frequency analysis, (Less than 300ms, 16Mhz processor).

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 심탄도 신호와 심전도 신호를 비교하여 나타낸 도면이다.FIG. 8 is a graph illustrating a comparison between a cardiac troposphere signal and an electrocardiogram signal according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 심탄도 신호에서 심박 패턴은 H, I, J, K 첨두치로 표현되며 실제 심박으로 인정하는 부분은 J 피크이다.Referring to FIG. 8, in the heart ballistic signal, the heartbeat pattern is represented by H, I, J, and K peak values, and the part recognized as the actual heartbeat is the J peak.

심탄도 신호에서 심박 패턴은 잡음, 환경, 개인적 영향에 의하여 다양한 형태로 나타나게 되는데 보통 I 피크가 환경 및 측정 조건, 개인차에 따라 눈에 띄게 큰 차이를 보이며 H와 J 피크의 크기가 일정하지 않다. 또한 I 피크가 작은 경우 H 또는 J 피크 중 하나만 큰 형태로 나타나는 경우가 있다. 이러한 각각의 경우에 대해 적응적인 방법으로 처리할 수 있으나 본 발명에서는 각 형태에 대한 공통점을 추출하여 하나의 특징신호로 산출한다.In the heart ballistic signal, the heartbeat pattern appears in various forms due to noise, environment, and personal effects. Usually, the I peak has a noticeable difference depending on environment, measurement conditions, and individual differences, and the H and J peak sizes are not constant. When the I peak is small, only one of the H or J peak appears in a large form. In each of these cases, it is possible to process it in an adaptive manner, but in the present invention, common features of each form are extracted and calculated as one feature signal.

즉, 환경 및 측정 조건, 개인차를 고려한 여러 측정례에서 변화량이 인접한 신호보다 크다는 특징이 공통적으로 나타나게 되며, 변화량을 추적하기 위하여 표준편차를 적용할 수 있다. 표준편차는 모집단의 변량의 분산 정도를 측정할 수 있는 값으로 분산 정도가 클수록 변화량이 크다는 것을 의미한다.In other words, the characteristics that the amount of change is larger than the adjacent signal are common in various measurement examples considering environment, measurement condition, and individual difference, and standard deviation can be applied to track the amount of change. The standard deviation is a value that can measure the degree of variance of the variance of the population. The larger the degree of variance, the greater the variation.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 신호(Electrocardiogram: ECG) 신호에서의 심박 신호(Heart beat), 분당 심박 수(Heart Rate), 심박 변이(Heart Rate Variability)를 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a heart beat, a heart rate, and a heart rate variance in an electrocardiogram (ECG) signal according to an embodiment of the present invention.

분당 심박 수(Heart Rate)는 단위 시간 당 심박 신호(Heart beat)의 횟수를 나타내고, 기본적으로 1분씩 측정하여 BPM(Beat per Minute) 단위를 사용한다. 심박 변이(Heart Rate Variability: HRV)는 심박 신호에서 각 심박 변이 사이의 간격을 일컫는 말이며 초(second, [sec]) 또는 밀리초(millisecond) 단위가 주로 사용된다. The heart rate per minute represents the number of heart beats per unit time, and is basically measured in units of 1 minute and uses BPM (Beat per Minute) units. Heart Rate Variability (HRV) refers to the interval between heartbeats in a heartbeat signal, usually in seconds (seconds) or milliseconds.

이러한 수면 중 분당 심박 수(HR) 및 심박 변이(HRV)는 의학적인 의미를 가질 수 있다. 렘(REM/NREM) 등 수면의 단계가 변할 때 분당 심박 수(HR) 및 혈압(Blood Pressure), 근육 교감 신경 활동(Muscle Sympathetic Nerve Activity)이 급격히 변한다고 알려져 있으며, 심박 변이(HRV)는 수면 장애나 불면증 현상에 따라 그 특성이 달라진다. 때문에, 분당 심박 수(HR)와 심박 변이(HRV)는 심혈관계의 변동을 나타내며 신체의 상태변화 또는 질병의 유무, 질병에 종류 등에 주요한 특징으로 활용된다.These heart rates (HR) and heart rate variability (HRV) during sleep can have medical implications. (HRV), blood pressure (Blood Pressure), and Muscle Sympathetic Nerve Activity (HRV) are known to change drastically when the level of sleep is changed The characteristics vary depending on the disorder or insomnia. Therefore, the heart rate (HR) and heart rate variability (HRV) per minute indicate changes in the cardiovascular system and are used as a major feature in the change of the body condition, the presence of the disease, and the type of the disease.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서를 이용하여 측정된 심탄도 신호를 도시한 도면이다.FIG. 4 is a view showing a heart ballistic signal measured using a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention.

압전 센서(110)를 통하여 측정되는 심탄도(BCG) 신호는 심박 신호 이외 사용자의 호흡과 움직임 신호 및 잡음을 포함하고 있다. 도 4는 다양한 형태의 심탄도(BCG) 파형과 실제 심박 신호의 첨두치를 빨간색으로 표현한다.The BCG signal measured through the piezoelectric sensor 110 includes the user's respiration, motion signal, and noise in addition to the heartbeat signal. Figure 4 depicts the peak waveforms of various forms of cardiac balloons (BCG) and actual heartbeat signals in red.

심탄도(BCG) 신호는 같은 사용자(피검사자)가 같은 자세로 측정하여도 일정한 형태로 측정되지 않는다는 것을 도 4의 데이터를 통해 나타내었다. 또한 호흡에 의한 저주파 성분은 사용자의 수면 자세에 따라서 차이가 발생한다.The data of FIG. 4 shows that the BCG signal is not measured in a uniform form even when the same user (examinee) measures the same posture. In addition, low frequency components caused by respiration are different according to the user 's sleep posture.

'a) Single-Peak shape'파형은 단일 첨두치(single-peak) 형태로 심박 신호가 검출되었을 때의 모습이며 호흡 성분에 비해 심박 신호의 진폭이 커 검출에 용이하다. '(b) Multi-Peak Shape' 파형은 모든 심박 신호의 형태가 다중 첨두치(Multi-Peak)의 형태를 가지며 심박 신호의 첨두치가 위로 솟은 형태를 나타났을 때의 모습이다. '(c) Complex-Peak Shape' 파형은 다중 첨두치(Multi-peak)와 단일 첨두치(Single-peak) 형태가 불규칙하게 나타났을 때의 파형이다. '(d) Ripple Shape'는 심박 신호가 첨두치(Peak) 형태로 나타나지 않고 물결(Ripple) 형태로 나타났을 때의 모습이다. 이때, (a)~(d)까지의 파형 중에서 일반적인 첨두치를 찾는 방식(Peak Detection)을 적용하기에 가장 좋은 예는 (a) 파형이다. 'a) Single-peak shape' waveform is a single-peak waveform when heartbeat signal is detected. It is easy to detect because the amplitude of heartbeat signal is larger than that of respiratory component. '(b) Multi-Peak Shape' waveform is a waveform in which all heartbeat signals have the form of a multi-peak and the peak value of the heartbeat signal has risen upward. '(c) Complex-Peak Shape' waveform is a waveform when multi-peak and single-peak are irregular. '(d) Ripple Shape' refers to the shape of a heartbeat when it appears as a ripple rather than as a peak. In this case, (a) waveform is the best example to apply a general peak detection method among the waveforms from (a) to (d).

위의 (a)와 (b)는 같은 사용자(피검사자)로부터 측정된 신호이다. 이는 한 사람에 대한 심탄도(BCG) 신호도 사용자(피검사자)의 자세나 호흡 상태에 따라 그 형태가 달라질 수 있는 것을 의미한다. (b) 파형은 첨두치를 찾는 방식(Peak Detection)으로 심박 신호 검출이 가능하나 추가적인 다중 첨두치(Multi-peak)에 대한 처리가 필요하다. 또한 (a), (b), (c)와 같이 첨두치(Peak) 형태와 달리 (d)와 같은 물결(Ripple) 형태의 심박 신호는 일반적인 첨두치를 찾는 방식(Peak Detection) 자체가 적용되기 힘들다.(A) and (b) are the signals measured from the same user (testee). This means that the BCG signal for one person can be changed according to the posture or breathing state of the user (subject). (b) Peak detection is a peak detection method. However, additional multi-peak processing is required. Unlike the peak type as in (a), (b), and (c), the ripple type heartbeat signal as in (d) .

더불어 사용자에 호흡에 의한 신호에 따라서 전체적인 신호의 범위(Range)도 달라질 수 있다. 이를 위해서 직류(DC) 성분을 제거하기 위한 하이 패스 필터(High Pass Filter)를 적용해야 하지만 100Hz로 샘플링 되는 신호에서 고주파와 저주파를 나누는 필터는 그 계수가 높아야 한다. 또한 샘플링(Sampling)된 신호에 대한 재조절(Resizing)처리도 필요하나 대부분 적응적 임계치(Adaptive Threshold)를 통한 이러한 (a)~(d)까지의 파형 중에서 을 사용한다. In addition, the range of the overall signal may vary depending on the signal from the respiration to the user. For this purpose, a high pass filter for eliminating direct current (DC) components should be applied. However, for a signal sampled at 100 Hz, a filter that divides high frequency and low frequency must have a high coefficient. It is also necessary to perform resizing processing on the sampled signal, but most of the waveforms from (a) to (d) through the adaptive threshold are used.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 표준편차 필터를 이용한 심탄도 신호를 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating a heart ballistic signal using a moving standard deviation filter according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 심박 신호는 단순한 첨두치를 찾는 방식(Peak Detection)으로 검출할 경우 많은 어려움이 따르며 물결(Ripple) 형태의 심박 신호의 경우 그 성능을 보장하기 어렵다.The heartbeat signal shown in FIG. 4 is difficult to detect by a simple peak detection method (Peak Detection), and it is difficult to guarantee its performance in the case of a ripple type heartbeat signal.

여러 심박 신호의 공통적인 특징은 그 변화량이 다른 노이즈에 비해 크다는 점이다. 변화량은 첨두치(Peak) 형태로 순간적인 변화일 수도 있으며 물결(Ripple) 형태처럼 지속시간이 있는 변화일 수도 있다.A common feature of many heartbeat signals is that the amount of change is greater than other noise. The amount of change may be a momentary change in the form of a peak, or a change in duration, such as a ripple form.

이에 따라 효과적으로 심박 신호의 첨두치(Peak)를 찾기 위하여 이동 표준편차 필터(Moving Standard Deviation Filter: MSDF)를 이용할 수 있다.Accordingly, a moving standard deviation filter (MSDF) can be used to effectively find the peak value of the heartbeat signal.

입력받은 심탄도(BCG) 신호에서 슬라이딩 윈도우 크기(w) 개수만큼 과거 신호들에 대한 표준 편차(Standard Deviation)를 구하는 수식은 수학식 1로 나타낼 수 있다.The equation for obtaining the standard deviation of the past signals by the number of sliding window sizes w in the input BCG signal can be expressed by Equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112014106796727-pat00001
Figure 112014106796727-pat00001

Figure 112014106796727-pat00002
는 해당 신호 범위의 평균을 나타내며 w는 슬라이딩 윈도우 크기(Sliding window Size)를 나타낸다.
Figure 112014106796727-pat00002
Denotes an average of the signal range, and w denotes a sliding window size.

도 5는 측정된 심탄도(BCG) 신호를 이동 표준편차 필터(MSDF)를 거친 심박 신호에 대한 결과 그래프로서, 슬라이딩 윈도우 크기(Sliding window Size)를 0.24sec(24 samples)로 설정하여 나타난 결과 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing the measured cardiac trajectory (BCG) signal as a result of a heartbeat signal passed through a mobile standard deviation filter (MSDF), a sliding window size of 0.24 sec (24 samples) to be.

이에 따라 이동 표준편차 필터(MSDF)를 거친 첨두치(Peak) 형태의 심박 신호에 대해서는 심박 주기와 유사한 파형이 산출되며 물결(Ripple) 형태의 신호에서도 해당 심박 신호에서 그 표준 편차 값이 커지는 것을 확인할 수 있다. Accordingly, a waveform similar to a heartbeat cycle is calculated for a peak-like heartbeat signal that has undergone a mobile standard deviation filter (MSDF), and a standard deviation value for a corresponding heartbeat signal is also increased in a ripple- .

(d)신호를 살펴보면 잡음 성분에 의해 이동 표준편차 필터(MSDF)를 거친 신호에도 다중 첨두치(Multi-Peak)가 발생할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 심탄도(BCG) 신호보다 뚜렷한 심박 주기를 신호의 높고 낮음으로 확인할 수 있으며 저주파의 호흡 신호와 고주파의 잡음 성분을 함께 제거할 수 있다.(d) If we look at the signal, it can be seen that multi-peak can occur in the signal that has been passed through the MSDF by the noise component. However, it is possible to identify the heartbeat period that is markedly higher than the heartbeat (BCG) signal as the high and low of the signal, and remove the low frequency respiration signal and the high frequency noise component together.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 변환을 이용하여 주파수 영역으로 변환된 심박 신호를 도시한 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a heartbeat signal converted into a frequency domain using Fourier transform according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 5에 도시된 그래프들을 살펴보면 이동 표준편차 필터(MSDF)를 거친 신호에서도 심박 신호와 비슷한 값을 갖는 잡음 신호가 남아 있는 것을 알 수 있다. 그러나 심박 주기의 변화는 1~2회의 심박 주기 동안 큰 폭으로 변하거나 그 주기가 반 또는 두 배 정도로 변하지 않는다. 주기가 변하는 경우는 약 30초 정도의 시간 동안 뚜렷하게 변하며 그 변화도 약 1.3배 정도 달라진다. 또한 누워있는 상태에서 주기가 변하는 경우는 흔하지 않으며 자세를 바꾼 직후에나 나타난다. Referring to the graphs shown in FIG. 5, it can be seen that a noise signal having a value similar to that of a heartbeat signal remains even in a signal passed through a mobile standard deviation filter (MSDF). However, changes in the heartbeat cycle do not change significantly during one or two heartbeats, nor do they change by half or even twice. When the period changes, it changes markedly for about 30 seconds and the change is about 1.3 times. It is not uncommon for the period to change in a lying state, and it appears even after changing the posture.

이러한 심박 주기의 특성에 따라서 이동 표준편차 필터(MSDF)를 거친 신호에서 가장 성분이 큰 사인 곡선적(Sinusoidal) 신호 주기를 산출한다면 그 주기가 심박의 주기와 가장 근사할 것으로 예측할 수 있다.According to the characteristic of the heartbeat period, if the sinusoidal signal cycle having the largest component in the signal passed through the MSDF is calculated, it can be predicted that the cycle is closest to the heartbeat cycle.

따라서, 푸리에 트랜스폼(Fourier Transform)을 이용하여 이동 표준편차 필터(MSDF)를 거친 신호에 대한 주파수 분석 결과에서 해당 사인 곡선적(Sinusoidal) 신호의 주기를 알아낼 수 있다. 실제 1분짜리 심탄도(BCG) 신호에 대한 주파수 분석 결과 이동 표준편차 필터(MSDF)를 거친 신호의 평균에 준하는 극 저주파의 직류 오프셋(DC Offset) 신호가 검출되었다. 일반적으로 정상적인 사람의 경우에 ‘누운 자세에서 분당 심박 수는 일반적으로 40에서 200회 사이에 존재한다.’라고 가정할 수 있으므로, 이러한 가정 하에 0.67Hz에서 3.33Hz 사이의 주파수 신호에서 가장 큰 값을 구하여 이 주파수의 역수를 분당 심박 수로 산출할 수 있다. 여기에서 측정 오차가 발생할 가능성을 더 고려한다면 분당 심박 수의 상한을 높이거나 하한을 낮추어 검출 대상 주파수 영역을 조정할 수도 있다. Therefore, the frequency of the sinusoidal signal can be found from the frequency analysis results of the signal passed through the MSDF using the Fourier transform (Fourier transform). As a result of the frequency analysis on the actual one minute BCG signal, a very low frequency DC offset signal based on the average of the signals passed through the standard deviation filter (MSDF) was detected. Generally, in the case of a normal person, since the heart rate per minute is generally in the range of 40 to 200 in the lying position, it can be assumed that the largest value in the frequency signal between 0.67 Hz and 3.33 Hz And the inverse number of this frequency can be calculated as the heart rate per minute. Here, if the possibility of measurement error is further considered, the upper limit of the heart rate per minute may be increased or the lower limit may be lowered to adjust the detection frequency region.

도 6은 도 5에 도시된 이동 표준편차 필터(MSDF)를 거친 신호의 주파수 분석 결과를 0.67Hz에서 3.33Hz 사이의 주파수 영역(Frequency Spectrum)에서 나타낸 그래프 이다. 이에 따라 각 주파수의 값의 역수는 해당 신호의 분당 심박 수에 대하여 (a) 2개, (b) 2개, (c) 1, (d) 0개의 오차를 가지는 정확도를 확인할 수 있다.FIG. 6 is a graph showing a frequency analysis result of a signal passed through the moving standard deviation filter (MSDF) shown in FIG. 5 in a frequency spectrum between 0.67 Hz and 3.33 Hz. Therefore, the reciprocal of the values of each frequency can be confirmed as (a) 2, (b) 2, (c) 1, (d) 0 errors with respect to the heart rate per minute of the corresponding signal.

실질적으로 주파수 영역(Frequency Spectrum)을 0.67Hz에서 3.33Hz로 설정하였으나, 설정된 값은 유동적으로 바꿀 수 있다.In practice, the frequency spectrum is set from 0.67 Hz to 3.33 Hz, but the set value can be changed flexibly.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박 수 산출 장치를 도시한 도면이다.7 is a view illustrating a heart rate calculation apparatus according to an embodiment of the present invention.

분당 심박 수를 산출하기 위한 장치(700)는 압전 센서(Piezoelectric sensor)를 이용하여 측정된 사용자의 심탄도(Ballistocardiogram: BCG) 신호를 수집하는 심탄도 신호 수집부(710), 심탄도 신호 수집부(710)에서 수집된 사용자의 심탄도 신호로부터 사용자의 심박 신호를 검출하는 심박 신호 검출부(720), 심박 신호 검출부(720)에서 검출된 사용자의 심박 신호를 푸리에 변환(Fourier Transform)을 이용하여 주파수 영역으로 변환하는 주파수 영역 변환부(730), 주파수 영역 변환부(730)에서 주파수 영역으로 변환된 심박 신호의 주파수 첨두치(Peak)를 이용하여 분당 심박 수를 산출하는 분당 심박 수 산출부(740)를 포함한다.The apparatus 700 for calculating the heart rate per minute includes a heart ballistic signal collecting unit 710 for collecting a user's ballistocardiogram (BCG) signal measured using a piezoelectric sensor, A heartbeat signal detecting unit 720 for detecting a heartbeat signal of a user from a heart ballistic signal of a user collected at the heartbeat signal detecting unit 710, a heartbeat signal detecting unit 720 for detecting a heartbeat signal of the user detected by the heartbeat signal detecting unit 720, Frequency domain transforming unit 730 for transforming the frequency domain converted frequency domain signal into a frequency domain transformed frequency domain transformed by the frequency domain transforming unit 730, ).

이때, 심박 신호 검출부(720)는 이동 표준편차 필터(Moving Standard Deviation Filter: MSDF)를 이용하여 사용자로부터 측정된 심탄도(BCG) 신호로부터 심박 신호를 검출할 수 있다.At this time, the heartbeat signal detector 720 may detect a heartbeat signal from a heart rate signal (BCG) signal measured by a user using a moving standard deviation filter (MSDF).

또한, 이동 표준편차 필터(MSDF)를 이용하여, 사용자로부터 측정된 심탄도(BCG) 신호의 잡음 성분을 제거하여 심박 신호를 검출할 수도 있다. 이때, 잡음 신호는 사용자의 호흡 신호, 움직임 신호등을 포함하는 잡음을 의미한다.In addition, the moving standard deviation filter (MSDF) may be used to detect the heartbeat signal by removing the noise component of the cardiac trajectory (BCG) signal measured by the user. In this case, the noise signal refers to a noise including a user's respiration signal, a motion signal, and the like.

또한, 미리 결정된 윈도우 크기(sliding window size)와 윈도우 크기에서의 심탄도 신호의 평균 값을 이용하여 심탄도 신호와 평균 값의 이동 표준편차(Moving Standard Deviation)를 연산하고, 상기 연산된 상기 이동 표준 편차를 이용하여 상기 심탄도 신호로부터 상기 심박 신호를 검출할 수 있다.Also, a moving standard deviation of a heart ballistic signal and an average value is calculated using a predetermined sliding window size and an average value of a cardiac traction signal in a window size, and the calculated moving standard The heartbeat signal can be detected from the heart ballistic signal using the deviation.

분당 심박 수 산출부(740)는 주파수 영역으로 변환된 심박 신호 중 미리 결정된 주파수 범위에서의 주파수 첨두치(Peak)를 이용하여 분당 심박 수를 산출할 수도 있으며, 이때, 미리 결정된 주파수 범위는 0.67Hz부터 3.33Hz까지 설정할 수 있다. The heartbeat rate calculating unit 740 may calculate the heartbeat rate per minute using the frequency peak value (Peak) in a predetermined frequency range from among the heartbeat signals converted into the frequency domain. At this time, the predetermined frequency range is 0.67 Hz To 3.33 Hz.

그러나 주파수 범위는 꼭 0.67Hz부터 3.33Hz까지 한정되는 것은 아니며, 잡음의 종류, 측정 방법, 오차 등에 의하여 주파수 범위에 대한 설정값을 변경할 수도 있다.However, the frequency range is not limited from 0.67 Hz to 3.33 Hz, and the set value for the frequency range may be changed by the type of noise, measurement method, error, and the like.

본 발명의 일 실시 예에 따른 심박 수 산출 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The heart rate calculation method according to an embodiment of the present invention may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be those specially designed and constructed for the present invention or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described with reference to particular embodiments, such as specific elements, and specific embodiments and drawings. However, it should be understood that the present invention is not limited to the above- And various modifications and changes may be made thereto by those skilled in the art to which the present invention pertains.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .

700 : 분당 심박 수를 산출하기 위한 장치
710 : 심탄도 신호 수집부
720 : 심박 신호 검출부
730: 주파수 영역 변환부
740 : 분당 심박 수 산출부
700: Device for calculating heart rate per minute
710: heart ballistic signal collecting unit
720: heart beat signal detection unit
730: Frequency domain transform unit
740: Heart rate calculation unit per minute

Claims (13)

압전 센서(Piezoelectric sensor)를 이용하여 측정된 사용자의 심탄도(Ballistocardiogram: BCG) 신호를 수집하는 단계;
상기 수집된 상기 심탄도 신호로부터 상기 사용자의 심박 신호를 검출하는 단계;
상기 검출된 상기 심박 신호를 푸리에 변환(Fourier Transform)을 이용하여 주파수 영역으로 변환하는 단계; 및
상기 주파수 영역으로 변환된 심박 신호의 주파수 첨두치(Peak)를 이용하여 분당 심박 수를 산출하는 단계;
를 포함하고
상기 검출하는 단계는
이동 표준편차 필터(Moving Standard Deviation Filter: MSDF)를 이용하여 상기 심탄도 신호로부터 상기 심박 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 심박 수 산출 방법.
Collecting a user's measured ballistocardiogram (BCG) signal using a piezoelectric sensor;
Detecting heartbeat signals of the user from the collected cardiovascular signals;
Converting the detected heartbeat signal into a frequency domain using a Fourier transform; And
Calculating a heart rate per minute by using a frequency peak value (Peak) of the heartbeat signal converted into the frequency domain;
Including the
The detecting step
Wherein the heart rate signal is detected from the heart ballistic signal using a moving standard deviation filter (MSDF).
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 검출하는 단계는
상기 이동 표준편차 필터를 이용하여, 상기 심탄도 신호의 잡음 성분을 제거하여 상기 심박 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 심박 수 산출 방법.
The method according to claim 1,
The detecting step
Wherein the heart rate signal is detected by removing a noise component of the heart valve signal using the moving standard deviation filter.
압전 센서(Piezoelectric sensor)를 이용하여 측정된 사용자의 심탄도(Ballistocardiogram: BCG) 신호를 수집하는 단계;
상기 수집된 상기 심탄도 신호로부터 상기 사용자의 심박 신호를 검출하는 단계;
상기 검출된 상기 심박 신호를 푸리에 변환(Fourier Transform)을 이용하여 주파수 영역으로 변환하는 단계; 및
상기 주파수 영역으로 변환된 심박 신호의 주파수 첨두치(Peak)를 이용하여 분당 심박 수를 산출하는 단계;
를 포함하고
상기 검출하는 단계는
미리 결정된 윈도우 크기와 상기 윈도우 크기에서의 상기 심탄도 신호의 평균 값을 이용하여 상기 심탄도 신호와 상기 평균 값의 이동 표준 편차(Moving Standard Deviation)를 연산하고, 상기 연산된 상기 이동 표준 편차를 이용하여 상기 심탄도 신호로부터 상기 심박 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 심박 수 산출 방법.
Collecting a user's measured ballistocardiogram (BCG) signal using a piezoelectric sensor;
Detecting heartbeat signals of the user from the collected cardiovascular signals;
Converting the detected heartbeat signal into a frequency domain using a Fourier transform; And
Calculating a heart rate per minute by using a frequency peak value (Peak) of the heartbeat signal converted into the frequency domain;
Including the
The detecting step
Calculating a moving standard deviation of the cardiac trajectory signal and the average value using a predetermined window size and an average value of the cardiac traction signals in the window size, and using the calculated moving standard deviation And the heartbeat signal is detected from the heart ballistic signal.
제1항에 있어서,
상기 산출하는 단계는
상기 주파수 영역으로 변환된 심박 신호 중 미리 결정된 주파수 범위에서의 상기 주파수 첨두치를 이용하여 상기 분당 심박 수를 산출하는 것을 특징으로 하는 심박 수 산출 방법.
The method according to claim 1,
The calculating step
Wherein the heartbeat rate per minute is calculated using the frequency peak value in a predetermined frequency range among the heartbeat signals converted into the frequency domain.
제5항에 있어서,
상기 미리 결정된 주파수 범위는
0.67Hz ~ 3.33Hz인 것을 특징으로 하는 심박 수 산출 방법.
6. The method of claim 5,
The predetermined frequency range is
Wherein the heart rate is 0.67 Hz to 3.33 Hz.
제1항 또는 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for executing the method according to any one of claims 1 to 6. 압전 센서(Piezoelectric sensor)를 이용하여 측정된 사용자의 심탄도(Ballistocardiogram: BCG) 신호를 수집하는 심탄도 신호 수집부;
상기 수집된 상기 심탄도 신호로부터 상기 사용자의 심박 신호를 검출하는 심박 신호 검출부;
상기 검출된 상기 심박 신호를 푸리에 변환(Fourier Transform)을 이용하여 주파수 영역으로 변환하는 주파수 영역 변환부; 및
상기 주파수 영역으로 변환된 심박 신호의 주파수 첨두치(Peak)를 이용하여 분당 심박 수를 산출하는 분당 심박 수 산출부;
를 포함하고, 상기 심박 신호 검출부는
이동 표준편차 필터(Moving Standard Deviation Filter: MSDF)를 이용하여 상기 심탄도 신호로부터 상기 심박 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 심박 수 산출 장치.
A heart ballistic signal collector for collecting a user's ballistocardiogram (BCG) signal measured using a piezoelectric sensor;
A heartbeat signal detector for detecting a heartbeat signal of the user from the collected cardiovascular signals;
A frequency domain transformer for transforming the detected heartbeat signal into a frequency domain using a Fourier transform; And
A heartbeat rate calculating unit for calculating a heartbeat rate per minute by using the frequency peak value (Peak) of the heartbeat signal converted into the frequency domain;
, And the heartbeat signal detecting unit
Wherein the heart rate signal is detected from the heart ballistic signal using a moving standard deviation filter (MSDF).
삭제delete 제8항에 있어서,
상기 심박 신호 검출부는
상기 이동 표준편차 필터를 이용하여, 상기 심탄도 신호의 잡음 성분을 제거하여 상기 심박 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 심박 수 산출 장치.
9. The method of claim 8,
The heartbeat signal detection unit
Wherein the heart rate signal is detected by removing a noise component of the heart ballistic signal using the moving standard deviation filter.
압전 센서(Piezoelectric sensor)를 이용하여 측정된 사용자의 심탄도(Ballistocardiogram: BCG) 신호를 수집하는 심탄도 신호 수집부;
상기 수집된 상기 심탄도 신호로부터 상기 사용자의 심박 신호를 검출하는 심박 신호 검출부;
상기 검출된 상기 심박 신호를 푸리에 변환(Fourier Transform)을 이용하여 주파수 영역으로 변환하는 주파수 영역 변환부; 및
상기 주파수 영역으로 변환된 심박 신호의 주파수 첨두치(Peak)를 이용하여 분당 심박 수를 산출하는 분당 심박 수 산출부;
를 포함하고,
상기 심박 신호 검출부는
미리 결정된 윈도우 크기와 상기 윈도우 크기에서의 상기 심탄도 신호의 평균 값을 이용하여 상기 심탄도 신호와 상기 평균 값의 이동 표준 편차(Moving Standard Deviation)를 연산하고, 상기 연산된 상기 이동 표준 편차를 이용하여 상기 심탄도 신호로부터 상기 심박 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 심박 수 산출 장치.
A heart ballistic signal collector for collecting a user's ballistocardiogram (BCG) signal measured using a piezoelectric sensor;
A heartbeat signal detector for detecting a heartbeat signal of the user from the collected cardiovascular signals;
A frequency domain transformer for transforming the detected heartbeat signal into a frequency domain using a Fourier transform; And
A heartbeat rate calculating unit for calculating a heartbeat rate per minute by using the frequency peak value (Peak) of the heartbeat signal converted into the frequency domain;
Lt; / RTI >
The heartbeat signal detection unit
Calculating a moving standard deviation of the cardiac trajectory signal and the average value using a predetermined window size and an average value of the cardiac traction signals in the window size, and using the calculated moving standard deviation And detects the heartbeat signal from the heart ballistic signal.
제8항에 있어서,
상기 분당 심박 수 산출부는
상기 주파수 영역으로 변환된 심박 신호 중 미리 결정된 주파수 범위에서의 상기 주파수 첨두치를 이용하여 상기 분당 심박 수를 산출하는 것을 특징으로 하는 심박 수 산출 장치.
9. The method of claim 8,
The per minute heart rate calculation unit
Wherein the heart rate calculating unit calculates the heart rate per minute using the frequency peak value in a predetermined frequency range from among the heart rate signals converted into the frequency domain.
제12항에 있어서,
상기 미리 결정된 주파수 범위는
0.67Hz ~ 3.33Hz인 것을 특징으로 하는 심박 수 산출 장치.
13. The method of claim 12,
The predetermined frequency range is
Wherein the heart rate is 0.67 Hz to 3.33 Hz.
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