KR101831064B1 - Ppg 신호를 이용한 동잡음 제거 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 PPG 신호를 이용한 동잡음 제거 장치 및 그 방법에 관한 것으로 본 발명에 따른 동잡음 제거 장치를 이용한 동잡음 제거 방법에 있어서, 피측정자로부터 측정된 PPG 신호와 3축(X축,Y축,Z축) 가속도 신호를 수신하는 단계, 상기 PPG 신호와 3축 가속도 신호를 일정 시간 단위의 구간으로 추출하고, 기 설정된 대역폭으로 필터링하는 단계, 상기 추출된 구간에 해당하는 PPG 신호 및 3축 가속도 신호를 푸리에 변환하여 주파수 도메인으로 변환하는 단계, 상기 3축 가속도에 대한 주파수 도메인 각각의 평균 파워를 연산하여 평균 파워 스펙트럼이 작은 값부터 큰 값을 가지도록 X축, Y축, Z축에 대한 파워 스펙트럼을 배열하는 단계, 그리고 상기 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 X축, Y축, Z축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 상기 배열한 순서대로 순차적으로 제거하여 상기 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, PPG 신호에서 3축 가속도 값을 작은 평균 값을 가지는 축부터 점진적으로 제거함으로써, 안정적이고 효율적으로 동잡음을 제거할 수 있다.
또한, 기존의 동잡음 제거 알고리즘에 비해 보다 계산량이 간소해지는 장점이 있다.
본 발명에 따르면, PPG 신호에서 3축 가속도 값을 작은 평균 값을 가지는 축부터 점진적으로 제거함으로써, 안정적이고 효율적으로 동잡음을 제거할 수 있다.
또한, 기존의 동잡음 제거 알고리즘에 비해 보다 계산량이 간소해지는 장점이 있다.
Description
본 발명은 PPG 신호를 이용한 동잡음 제거 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3축 가속도 값을 이용하여 PPG 신호에서 동잡음 성분을 효과적으로 제거하는 PPG 신호를 이용한 동잡음 제거 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 건강에 관심이 높아지면서 신체 착용형 장치에 생체 신호를 감지할 수 있도록 장치 또는 센서를 접목시켜 착용자의 건강 상태를 파악하는 연구가 증가하고 있다.
신체 착용형 장치를 이용하면 사용자가 이동하거나 운동을 하는 도중에 사용자의 건강 상태를 실시간으로 확인할 수 있어 무리한 신체 활동을 예방할 수 있다는 장점이 있다.
그 중에서도 PPG(Photoplethysmogram) 신호를 이용하여 사용자의 맥파를 측정할 수 있는 데, PPG 신호는 LED(Light Emitting Diode)를 피부로 투사하여 반사된 빛의 흡광도를 이용하여 혈관의 부피 변화를 나타낸다.
즉, 심장의 수축과 이완에 의해 발생하는 혈관의 부피 변화를 나타내는 PPG 신호를 통해 실시간으로 사용자의 심박수를 추정할 수 있다.
하지만, 사용자가 움직이는 경우에는 그 움직임으로 인해 신체 착용형 장치로부터 취득되는 PPG 신호에 동잡음(motion artifacts, MA)이 포함되어 PPG 신호가 왜곡되기 쉬운 문제점이 있다. 즉, 동잡음은 PPG 신호가 가지고 있는 심박수 정보에 간섭을 주어 실제 심박수를 정확하게 추정하기 힘들다.
이를 해결하기 위해 PPG 신호에서 동잡음 성분을 제거하는 연구가 진행되고 있으나, 동잡음이 약한 상황에서 한정하는 동잡음 제거 기법은 실생활에서 움직이는 사용자의 맥파를 정확하게 측정하기 어렵고, 동잡음 성분이 큰 상황에서 동잡음 제거 기법은 고해상도 스펙트럼 추정을 사용하여 시간이 오래 걸리는 단점이 있어 실시간으로 맥파를 정확하게 측정하기 어렵다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 국내등록특허 제 10-0462182호(2004.12.16 공고)에 게시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 3축 가속도 값을 이용하여 PPG신호에서 동잡음 성분을 효과적으로 제거하는 PPG 신호를 이용한 동잡음 제거 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 동잡음 제거 장치를 이용한 동잡음 제거 방법에 있어서, 피측정자로부터 측정된 PPG 신호와 3축(X축, Y축, Z축) 가속도 신호를 수신하는 단계, 상기 PPG 신호와 3축 가속도 신호를 일정 시간 단위의 구간으로 추출하고, 기 설정된 대역폭으로 필터링하는 단계, 상기 추출된 구간에 해당하는 PPG 신호 및 3축 가속도 신호를 푸리에 변환하여 주파수 도메인으로 변환하는 단계, 상기 3축 가속도에 대한 주파수 도메인 각각의 평균 파워를 연산하여 평균 파워 스펙트럼이 작은 값부터 큰 값을 가지도록 X축, Y축, Z축에 대한 파워 스펙트럼을 배열하는 단계, 그리고 상기 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 X축, Y축, Z축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 상기 배열한 순서대로 순차적으로 제거하여 상기 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출하는 단계를 포함한다.
상기 구간은 이전 구간과 기 설정된 시간만큼 오버랩되도록 추출되며, 상기 X축, Y축, Z축에 대한 파워 스펙트럼을 배열하는 단계는, 최소 제곱법을 이용하여 상기 X축, Y축, Z축 각각의 파워 스펙트럼에 대한 평균 값을 연산하는 단계. 그리고 상기 평균 값의 크기가 작은 스펙트럼부터 큰 순서대로 상기 X축, Y축, Z축에 대한 파워 스펙트럼을 배열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출하는 단계는, 상기 X축, Y축, Z축 중에서 파워 스펙트럼이 가장 작은 제1축에 대응하는 파워 스펙트럼에 대한 제1 계수 값을 설정하는 단계, 상기 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 제1축에 대한 스펙트럼에 상기 제1 계수값을 곱하여 차감하는 단계, 상기 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼을 이용하여 X축, Y축, Z축 중에서 파워 스펙트럼이 두번째로 작은 제2축에 대하여 제2 계수 값을 설정하는 단계, 상기 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 제2축에 대한 스펙트럼에 상기 제2 계수값을 곱하여 차감하는 단계, 상기 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼을 이용하여 X축, Y축, Z축 중에서 파워 스펙트럼이 가장 큰 제3축에 대하여 제3 계수 값을 설정하는 단계, 그리고 상기 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 제3축에 대한 스펙트럼에 상기 제3 계수값을 곱하여 차감하여 파워 스펙트럼(
)를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 계수 값(ck(i))은 다음의 조건을 만족하도록 설정될 수 있다.
여기서, Pi k(f)는 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼을 나타내며, c는 계수, Ai k(f)는 3축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 나타내며, k는 배열된 순서에 대응하는 제1 내지 제3축의 인덱스를 나타내며, 
는 이전 구간에서 추정한 심박수를 이용한 가드 밴드를 나타낸다.
상기 제1 내지 제3 계수 값은, 다음의 수학식과 같이 상기 연산된 계수(ck(i))와 이전 구간의 계수(
)를 이용하여 보정될 수 있다.
여기서, 
는 보정된 제1 내지 제3 계수 값이고, 
는 자기회귀모델에 사용되는 파라미터이며, 초기값으로 
을 설정한다.
상기 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출하는 단계는, 다음의 수학식과 같이 이전 구간에서 추출된 최종 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)와 상기 제3축에 대한 스펙트럼와 상기 제3 계수값의 곱한 값이 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)를 이용하여 최종 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)을 추출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 
는 가중치 합을 조절하는 파라미터이며, 이전 구간의 초기값은 
로 설정한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 동잡음 제거 장치는 피측정자로부터 측정된 PPG 신호와 3축(X축,Y축,Z축) 가속도 신호를 수신하는 수신부, 상기 PPG 신호와 3축 가속도 신호를 일정 시간 단위의 구간을 추출하고, 기 설정된 대역폭으로 필터링하는 필터링부, 상기 추출된 구간에 해당하는 PPG 신호 및 3축 가속도 신호를 푸리에 변환하여 주파수 도메인으로 변환하는 변환부, 상기 3축 가속도에 대한 주파수 도메인 각각의 평균 파워를 연산하여 평균 파워 스펙트럼이 작은 값부터 큰 값을 가지도록 X축, Y축, Z축에 대한 파워 스펙트럼을 배열하는 배열부, 그리고 상기 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 X축, Y축, Z축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 상기 배열한 순서대로 순차적으로 제거하여 상기 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출하는 추출부를 포함한다.
본 발명에 따르면, PPG 신호에서 3축 가속도 값을 작은 평균 값을 가지는 축부터 점진적으로 제거함으로써, 안정적이고 효율적으로 동잡음 성분을 제거할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기존의 동잡음 제거 알고리즘에 비해 보다 계산량이 간소해지는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 피측정자로부터 측정된 PPG 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치를 이용한 동잡음 제거 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치가 푸리에 변환을 통해 주파수 도메인으로 변환한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치가 PPG 신호에서 동잡음을 제거하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 방법을 적용하여 최종 파워 스펙트럼을 추정하는 과정을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 방법을 적용하여 추정한 맥파, 실제 맥파, 그리고 동잡음을 제거하지 않은 맥파를 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치를 이용한 동잡음 제거 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치가 푸리에 변환을 통해 주파수 도메인으로 변환한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치가 PPG 신호에서 동잡음을 제거하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 방법을 적용하여 최종 파워 스펙트럼을 추정하는 과정을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 방법을 적용하여 추정한 맥파, 실제 맥파, 그리고 동잡음을 제거하지 않은 맥파를 비교한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 피측정자로부터 측정된 PPG 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 1과 같이, 피측정자로부터 측정된 PPG 신호는 여러 신호간의 비선형 조합으로 구성된다.
즉, PPG 신호(p(n))는 피측정자의 심박수를 측정할 수 있는 맥파 정보(True heart rhythm,h(n))와 x축 동잡음(x-axis motion, ax(n)), y축 동잡음(y-axis motion, ay(n)), z축 동잡음(z-axis motion, az(n))과 특정하기 힘든 잡음 v(n)으로 구성된다.
여기서, 동잡음 성분은 피측정자의 움직임으로 발생되는 잡음이므로 3축 가속도 값을 통해 별도로 측정할 수 있다.
이와 같이 PPG 신호에 포함된 동잡음 성분은 맥파 정보(True heart rhythm,h(n))에 왜곡을 주어 PPG 신호를 통해 맥파를 측정하기 어렵기 때문에, 보다 정확하게 맥파를 측정하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치는 PPG 신호와 3축 가속도 측정값과의 상관관계를 파악하여 PPG 신호에서 3축 가속도 측정값을 점진적으로 제거하여 동잡음을 제거하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치(100)는 수신부(110), 필터링부(120), 변환부(130), 배열부(140), 추출부(150)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치(100)는 PPG 신호 또는 3축 가속도 신호를 측정하는 장치 또는 사용자의 맥파 정보를 제공하는 장치에 내장되거나 별도의 사용자 단말일 수 있다.
먼저, 수신부(110)는 피측정자로부터 측정된 PPG 신호와 3축 가속도 신호를 수신한다. 수신부(110)는 피측정자의 몸에 착용된 웨어러블 장치 또는 피측정자의 측정 신호가 저장된 서버와 무선 또는 유선으로 연결되어 PPG 신호와 3축 가속도 신호를 수신할 수 있다.
그리고, 필터링부(120)는 수신된 PPG 신호와 3축 가속도 신호를 일정 시간 단위의 구간으로, 이전 구간과 기 설정된 시간만큼 오버랩되도록 추출한다.
또한 필터링부(120)는 추출된 구간의 PPG 신호와 3축 가속도 신호에 대해서 피측정자로부터 측정가능한 맥파 범위에 해당하는 기 설정된 대역폭으로 필터링할 수 있다. 여기서, 기 설정된 대역폭은 사람의 연령, 성별, 신체적 특징에 따라 개별적으로 설정될 수 있으며, 피측정자의 상태에 따라서 변경하여 설정할 수 있다.
그리고 필터링부(120)의 구간 추출 과정과 대역폭 필터링하는 과정은 순서가 고정된 것은 아니고 추후에 사용자에 의해 순서 변경이 가능하다.
또한 변환부(130)는 추출된 구간에 해당되는 PPG 신호 및 3축 가속도 신호를 푸리에 변환하여 시간 도메인에서 주파수 도메인으로 변환한다.
배열부(140)는 3축 가속도에 대한 주파수 도메인 각각의 평균 파워를 최소 제곱법을 이용하여 연산한다. 그리고 배열부(140)는 평균 파워 스펙트럼이 작은 값부터 큰 값을 가지도록 X축, Y축, Z축에 대한 파워 스펙트럼을 배열한다.
추출부(150)는 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 배열한 순서대로 X축, Y축, Z축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 순차적으로 제거하여 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출한다.
이하에서는 도 3 내지 도 5를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 방법에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치의 동잡음 제거 방법에 대한 순서도이고 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치가 푸리에 변환을 통해 주파수 도메인으로 변환한 그래프이다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 수신부(110)는 피측정자로부터 측정된 PPG 신호와 3축(X축, Y축, Z축) 가속도 신호를 수신한다(S310).
여기서, PPG 신호는 PPG 신호와 잡음이 비선형 조합을 가진 측정된 PPG 신호로 시간 도메인의 값을 가지며, 3축 가속도 신호는 각 축에 따라 X축, Y축, Z축의 각각의 값을 나타낸다.
이와 같은 PPG 신호와 3축 가속도 신호를 피측정자가 착용한 웨어러블 장치로부터 실시간으로 수신하거나 측정된 신호가 저장된 서버 또는 데이터 베이스와 연결되어 PPG 신호와 3축 가속도 신호를 수신할 수 있다.
다음으로 필터링부(120)는 PPG 신호와 3축 가속도 신호를 일정 시간 단위의 구간으로 추출하고, 기 설정된 대역폭으로 필터링한다(S320).
여기서, 필터링부(120)는 PPG 신호와 3축 가속도 신호에 대해 이전 구간과 기설정된 시간만큼 오버랩되도록 구간을 추출할 수 있다.
예를 들어 총 5분간 측정된 PPG 신호 및 3축 가속도 신호에 대해서 일정 시간 단위는 8초이고 기 설정된 시간은 6초라고 가정하면, 필터링부(120)는 측정된 전체 구간에서 0초에서 8초까지의 제1 구간을 추출하고 제1 구간과 6초만큼 오버랩되도록 2초에서 10초까지의 제2 구간을 추출할 수 있다.
그리고 필터링부(120)는 일반적으로 성인으로부터 측정가능한 맥파 대역폭으로 필터링할 수 있다. 예를 들어 성인으로부터 측정가능한 맥파 범위는 0.4Hz부터 5Hz까지라고 가정하면, 필터링부(120)는 PPG 신호와 3축 가속도 신호를 0.4Hz부터 5Hz의 대역폭으로 필터링할 수 있다.
이때, 필터링부(120)는 개인 맞춤형으로 피측정자의 사람의 연령, 성별, 신체적 특징에 따라 필터링되는 대역폭을 설정할 수 있다.
그리고 변환부(130)는 추출된 구간에 해당하는 PPG 신호 및 3축 가속도 신호를 가속 푸리에 변환하여 주파수 도메인으로 변환한다(S330).
측정된 PPG 신호 및 3축 가속도 신호는 시간 도메인으로 동잡음이 클수록 3축 가속도 신호가 PPG 신호에 미치는 영향을 직관적으로 파악하기 어려운 점이 있다. 그러므로 변환부(130)는 PPG 신호 및 3축 가속도 신호를 시간 도메인이 아닌 주파수 도메인으로 변환하기 위해 가속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier transform)을 한다.
도 4의 (a)는 시간 도메인의 PPG 신호(PPG signal)을 주파수 도메인으로 변환한 그래프이다. 이때, 빨간색의 동그라미 부분은 실제 측정된 맥파(True heart rate)를 나타낸다.
그리고 도 4의 (b),(c),(d)는 시간 도메인의 각 3축 가속도 신호(x-axis, y-axis, z-axis)를 주파수 도메인으로 변환한 그래프이다.
도 4의 (a)에서 PPG spectrum을 보면, 실제 측정된 맥파(빨간 동그라미 부분)보다 동잡음의 영향을 받은 부분(빨간 동그라미 부분을 제외한 나머지 피크 부분)이 더 크다는 것을 알 수 있다. 즉, 주파수 도메인으로 변환된 그래프에서 각 3축 가속도의 스펙트럼이 실제 PPG 스펙트럼에 미치는 영향을 판단하기 쉽다는 것을 알 수 있다.
그러므로 변환부(130)는 PPG 신호와 3축 가속도의 상관관계를 판단하기 쉽도록 PPG 신호 및 3축 가속도를 고속 푸리에 변환하여 주파수 도메인으로 변환한다.
다음으로 배열부(140)는 3축 가속도에 대한 주파수 도메인 각각의 평균 파워를 연산하여 평균 파워 스펙트럼이 작은 값부터 큰 값을 가지도록 X축, Y축, Z축에 대한 파워 스펙트럼을 배열한다(S340).
즉, 배열부(140)는 주파수 도메인으로 변환한 X축, Y축, Z축에 대한 파워 스펙트럼에 대해서 최소 제곱법을 이용하여 평균 파워를 연산한다. 이때, 배열부(140)는 최소 제곱법 이외의 방법을 이용하여 파워 스펙트럼에 대해서 평균 파워를 연산할 수 있다.
그리고 배열부(140)는 평균 파워 값이 작은 값부터 큰 값을 가지는 X축, Y축, Z축의 파워 스펙트럼을 배열할 수 있다. 배열부(140)는 평균 파워 스펙트럼이 가장 작은 값을 가지는 축을 제1축, 두번째로 작은 값을 가지는 축을 제2축, 가장 큰 값을 가지는 축을 제3축으로 배열할 수 있다.
예를 들어, 도 4와 같이 파워 스펙트럼의 크기가 Z축> X축 > Y축의 순서로 연산되었다면, 제1축은 Y축, 제2축은 X축, 제3축은 Z축이 되도록 배열된다.
다음으로 추출부(150)는 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 X축, Y축, Z축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 배열한 순서대로 순차적으로 제거하여 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출한다(S350).
즉, 추출부(150)는 X축, Y축, Z축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 배열한 순서대로 각 축에 대한 계수값을 설정하고 해당 계수값을 곱하여 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 차감하여 최종 파워 스펙트럼을 추출할 수 있다.
이하에서는 도 5를 통하여 동잡음 제거 장치(100)의 추출부(150)가 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출하는 과정을 자세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치가 PPG 신호에서 동잡음을 제거하는 과정을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 장치(100)의 추출부(150)는 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 3축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 차감할 때, 실제 맥파를 나타내는 파워 스펙트럼의 주변부의 스펙트럼이 완전히 제거되는 것을 방지하면서 최대한의 동잡음을 제거하고자 각 축에 대해서 계수값을 설정한다.
즉, 추출부(150)는 PPG 파워 스펙트럼을 이용하여 X축, Y축, Z축 중에서 파워 스펙트럼에 대해서 각각의 계수 값을 설정할 수 있다. 이때, 동잡음 제거 장치(100)는 다음의 수학식 1을 만족하는 계수 값을 설정할 수 있다.
여기서, Pi k(f)는 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼을 나타내며, c는 계수, Ai k(f)는 3축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 나타내며, k는 배열된 순서에 대응하는 제1 내지 제3축의 인덱스를 나타내며, 
는 이전 구간에서 추정한 심박수를 이용한 가드 밴드를 나타낸다.
즉, 수학식 1과 같이 추출부(150)는 계수 값은 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 계수값을 곱한 3축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 차감하면 가장 작은 값이 되도록 계수값을 설정한다.
다만, 실제 맥파를 나타내는 파워 스펙트럼의 주변부의 스펙트럼이 완전히 제거되는 것을 방지하기 위해 추출부(150)는 이전 구간에서 측정된 맥파를 기준으로 가장 큰 값을 가지는 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 절반이상의 값이 제거되지 않는 조건에서 계수 값을 설정할 수 있다.
그리고 추출부(150)는 수학식 1을 통해 연산된 계수(ck(i))와 이전 구간의 계수(
)를 다음 수학식 2에 적용하여 계수값을 보정할 수 있다.
여기서, 
는 보정된 제1 내지 제3 계수 값이고, 
는 자기회귀모델에 사용되는 파라미터이며, 초기값으로 
을 설정한다.
즉, 추출부(150)는 이전 구간과 해당 구간간의 오버랩되는 구간이 존재하기 때문에, 이전 구간과 해당 구간의 계수값의 급격한 변화를 방지하고자 수학식 2를 통해 계수값이 이전 구간의 계수 값과 일정한 범위내에서 설정되도록 보정해준다.
그리고 추출부(150)는 수학식 3과 같이 해당 축에 보정된 계수값을 곱하여 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 차감한다.
도 5와 같이, 추출부(150)는 X축, Y축, Z축 중에서 평균 파워 스펙트럼의 크기에 따라서 가장 작은 값을 가진 축을 제1축(
), 두번째로 작은 축을 제2축(
), 가장 큰 축을 제3축(
)으로 설정하며, 이하에서는 설명의 편의상 앞에서 예로 든 것처럼 제1축은 Y축, 제2축은 X축, 제3축은 Z축으로 가정하여 설명하도록 한다.
그리고 추출부(150)는 제1축(Y축)에 대한 제1 계수값(
)을 수학식 1 및 수학식 2를 통해 설정하고, 설정된 제1 계수값(
)을 수학식 3에 적용하여 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)에서 차감하여 
를 추출한다.
추출부(150)는 제1 계수값과 곱해진 제1축(Y축)의 파워 스펙트럼이 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)을 앞서 설명한 수학식 1 및 수학식 2에 적용하여 제2축(X축)에 대한 제2 계수값(
)을 설정한다. 그리고 추출부(150)는 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)에서 제2 계수값 (
)이 곱해진 제2축의 파워 스펙트럼을 차감하여 
을 추출한다.
그리고 추출부(150)는 제2 계수값과 곱해진 제2축의 파워 스펙트럼이 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)을 앞서 설명한 수학식 1 및 수학식 2에 적용하여 제3축(Z축)에 대한 제3 계수값(
)을 설정한다 그리고 추출부(150)는 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)에서 제3 계수값 (
)이 곱해진 제3축(Z축)을 차감하여 
을 추출한다.
이때, PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼이 기준치 이하로 작은 경우, 3축 가속도 신호에 대한 파워 스펙트럼을 제거하여도 정확한 맥파 측정이 어려워질 수 있다. 그러므로 추출부(150)는 연속적이고 오버랩되는 구간의 특징을 이용하여 해당 구간의 최종 파워 스펙트럼 추출할 때, 이전 구간의 최종 파워 스펙트럼을 이용한다.
추출부(150)는 3축 가속도 신호에 대한 파워 스펙트럼을 모두 차감하여 추출된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)과 이전 구간에서 추출된 최종 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)을 다음 수학식 4에 적용하여 최종 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)을 추출한다.
여기서, 
는 가중치 합을 조절하는 파라미터이며, 이전 구간의 초기값은 
로 설정한다.
이처럼, 추출부(150)는 수학식 4을 통해 이전 구간의 PPG 신호에 대한 최종 스펙트럼을 이용하여 해당 구간의 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출함으로써, 실제 맥파의 파워가 작은 경우 발생하는 맥파 추정 오차를 줄일 수 있다.
이와 같이. 추출부(150)는 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 각 계수값이 곱해진 3축 가속도에 대한 스펙트럼을 배열 순서에 따라 순차적으로 제거한 후, 이전 구간의 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼의 값을 이용하여 해당 구간의 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 방법을 적용하여 최종 파워 스펙트럼을 추정하는 과정을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (a)는 동잡음이 실제 맥파로 추정되는 PPG 신호의 주파수와 차이가 있는 PPG 신호의 주파수에 영향을 주는 경우의 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼을 나타낸 것이고, 도 6의 (b)는 동잡음이 실제 맥파로 추정되는 PPG 신호의 주파수 주변부에 있는 PPG 신호의 주파수에 영향을 주는 경우의 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼을 나타낸다.
즉, 도 6의 (a)는 실제 맥파로 추정되는 주파수(True heart rate)와 다른 주파수에서 동잡음의 영향이 크고, 도 6의 (b)는 실제 맥파로 추정되는 주파수(True heart rate)의 주변 주파수에서 동잡음의 영향이 크다는 것을 알 수 있다.
도 6의 (a) 및 (b)를 보면, 실제 맥파로 추정되는 주파수(True heart rate)는 붉은색 점선으로 표시하였고, 실선으로 표시된 그래프는 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼이며 점선은 계수가 곱해진 각 축의 파워 스펙트럼을 나타낸다.
즉, 도 6의 (a) 및 (b)에서 각 첫번째 그래프는 피측정자로부터 측정된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(실선: 
)와 제1 계수값이 곱해진 제1축에 대한 파워 스펙트럼(점선: 
)를 나타내며, 각 두번째 그래프는 제1축의 파워 스펙트럼 (
)이 제거된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(실선: 
)과 제2 계수 값이 곱해진 제2축에 대한 파워 스펙트럼(점선:
)을 나타낸다. 그리고 각 세번째 그래프는 제1축의 파워 스펙트럼(
)이 제거된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(실선:
)과 제3 계수값이 곱해진 제3축에 대한 파워 스펙트럼(점선: 
)을 나타내고, 각 네번째 그래프는 제3축에 대한 파워 스펙트럼(점선:
)이 제거된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)을 나타낸다.
도 6의 (a) 및 (b)의 첫번째, 두번째, 세번째 그래프를 보면 알 수 있듯이 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 점진적으로 3축 가속도에 대한 파워 스펙트럼(동잡음)을 제거함으로써, 도 6의 (a) 및 (b)의 네번째 그래프와 같이 실제 맥파로 추정되는 주파수(True heart rate)만을 쉽게 추출할 수 있다.
즉, 도 6의 (a) 및 (b)를 보면, 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 방법은 동잡음 성분이 PPG 신호에 대한 주파수 도메인 특정 부분에 영향을 주는 경우만을 한정하지 않고 모든 경우에서 동잡음 성분을 효과적으로 제거함을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 방법을 적용하여 추정한 맥파, 실제 맥파, 그리고 동잡음을 제거하지 않은 맥파를 비교한 그래프이다.
도 7은 운동중인 피측정자(Subject 2, Subject 6, Subject 10, Subject 12)를 대상으로 측정된 PPG 신호 및 3축 가속도에 대해서 각 데이터의 샘플링 주파수는 125Hz로 각 피측정자마다 개별 심박수를 측정하였다. 이때, 구간은 8초 단위로 이전 구간과 6초간 오버랩 되도록 2초씩 이동된 구간이며 계수값을 설정할 때 사용되는 파라미터인 
는 이전 구간에서 추정한 심박수를 
이라고 할 때, 
인 가드 밴드를 의미한다. 그리고 각 파라미터는 
,
로 가정한다.
도 7은 이와 같은 조건에서 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 방법을 적용하여 심박수를 추정한 결과(with the proposed method)과 실제 심박수(True heart rate) 그리고 동잡음을 제거하지 않고 심박수를 추정한 결과(without MA removal)를 나타낸다.
여기서 PPG 파워 스펙트럼을 이용하여 심박수를 추정하는 방법은 문턱값(threshold)를 설정한 후 동잡음이 제거된 스펙트럼에서 해당 문턱값을 넘는 최고점을 심박수 후보군으로 설정하여 심박수를 추정하거나 심박수에 대한 통계적 정보를 바탕으로 확률밀도함수(PDF: probability density function)을 이용하여 심박수를 추정하거나 후보군들 중에 최대공산(Maximum Likelihood: ML)을 통해 심박수를 추정할 수 있다.
도 7에서 보면 동잡음을 제거하지 않은 PPG 스펙트럼을 이용하여 심박수를 추정한 결과는 실제 심박수와 차이가 큰 것을 알 수 있다. 반면, 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 방법을 적용하여 심박수를 추정한 결과는 실제 심박수와 오차가 적은 것을 알 수 있다.
즉, 도 7을 통해 본 발명의 실시예에 따른 동잡음 제거 방법은 PPG 파워 스펙트럼에서 동잡음 제거에 효율적임을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, PPG 신호에서 3축 가속도 값을 작은 평균 값을 가지는 축부터 점진적으로 제거함으로써, 안정적이고 효율적으로 동잡음을 제거할 수 있다.
또한, 기존의 동잡음 제거 알고리즘에 비해 보다 계산량이 간소해지는 장점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 동잡음 제거 장치 110: 수신부
120: 필터링부 130: 변환부
140: 배열부 150: 추출부
120: 필터링부 130: 변환부
140: 배열부 150: 추출부
Claims (12)
- 동잡음 제거 장치를 이용한 동잡음 제거 방법에 있어서,
피측정자로부터 측정된 PPG 신호와 3축(X축, Y축, Z축) 가속도 신호를 수신하는 단계,
상기 PPG 신호와 3축 가속도 신호를 일정 시간 단위의 구간으로 추출하고, 기 설정된 대역폭으로 필터링하는 단계,
상기 추출된 구간에 해당하는 PPG 신호 및 3축 가속도 신호를 푸리에 변환하여 주파수 도메인으로 변환하는 단계,
최소 제곱법을 이용하여 상기 3축 가속도에 대한 주파수 도메인 각각의 평균 파워를 연산하여 평균 파워 스펙트럼이 작은 값부터 큰 값을 가지도록 X축, Y축, Z축에 대한 파워 스펙트럼을 배열하는 단계, 그리고
상기 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 X축, Y축, Z축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 배열한 순서대로 순차적으로 제거하여 상기 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출하는 단계를 포함하고,
상기 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출하는 단계는,
상기 X축, Y축, Z축 중에서 파워 스펙트럼이 가장 작은 제1축에 대응하는 파워 스펙트럼에 대한 제1 계수 값을 설정하는 단계,
상기 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 제1축에 대한 스펙트럼에 상기 제1 계수값을 곱하여 차감하는 단계,
상기 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼을 이용하여 X축, Y축, Z축 중에서 파워 스펙트럼이 두번째로 작은 제2축에 대하여 제2 계수 값을 설정하는 단계,
상기 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 제2축에 대한 스펙트럼에 상기 제2 계수값을 곱하여 차감하는 단계,
상기 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼을 이용하여 X축, Y축, Z축 중에서 파워 스펙트럼이 가장 큰 제3축에 대하여 제3 계수 값을 설정하는 단계, 그리고
상기 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 제3축에 대한 스펙트럼에 상기 제3 계수값을 곱하여 차감하여 파워 스펙트럼()를 추출하는 단계를 포함하는 동잡음 제거 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 구간은 이전 구간과 기 설정된 시간만큼 오버랩되도록 추출되며,
상기 X축, Y축, Z축에 대한 파워 스펙트럼을 배열하는 단계는,
최소 제곱법을 이용하여 상기 X축, Y축, Z축 각각의 파워 스펙트럼에 대한 평균 값을 연산하는 단계. 그리고
상기 평균 값의 크기가 작은 스펙트럼부터 큰 순서대로 상기 X축, Y축, Z축에 대한 파워 스펙트럼을 배열하는 단계를 포함하는 동잡음 제거 방법. - 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 계수 값(ck(i))은 다음의 조건을 만족하도록 설정되는 동잡음 제거 방법:
여기서, Pi k(f)는 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼을 나타내며, c는 계수, Ai k(f)는 3축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 나타내며, k는 배열된 순서에 대응하는 제1 내지 제3축의 인덱스를 나타내며,는 이전 구간에서 추정한 심박수를 이용한 가드 밴드를 이전 구간에서 추정한 심박수를 이용한 가드 밴드를 나타낸다.
- 제4항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 계수 값은,
다음의 수학식과 같이 상기 연산된 계수(ck(i))와 이전 구간의 계수()를 이용하여 보정되는 동잡음 제거 방법:
여기서,는 보정된 제1 내지 제3 계수 값이고,
는 자기회귀모델에 사용되는 파라미터이며, 초기값으로
을 설정한다.
- 제2항에 있어서,
상기 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출하는 단계는,
다음의 수학식과 같이 이전 구간에서 추출된 최종 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼()와 상기 제3축에 대한 스펙트럼와 상기 제3 계수값의 곱한 값이 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)를 이용하여 최종 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)을 추출하는 단계를 더 포함하는 동잡음 제거 방법:
여기서,은 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 계수값이 곱해진 축에 대한 파워 스펙트럼이 차감된 파워 스펙트럼을 나타내며,
는 가중치 합을 조절하는 파라미터이며, 이전 구간의 초기값은
로 설정한다.
- 피측정자로부터 측정된 PPG 신호와 3축(X축,Y축,Z축) 가속도 신호를 수신하는 수신부,
상기 PPG 신호와 3축 가속도 신호를 일정 시간 단위의 구간으로 추출하고, 기 설정된 대역폭으로 필터링하는 필터링부,
상기 추출된 구간에 해당하는 PPG 신호 및 3축 가속도 신호를 푸리에 변환하여 주파수 도메인으로 변환하는 변환부,
최소 제곱법을 이용하여 상기 3축 가속도에 대한 주파수 도메인 각각의 평균 파워를 연산하여 평균 파워 스펙트럼이 작은 값부터 큰 값을 가지도록 X축, Y축, Z축에 대한 파워 스펙트럼을 배열하는 배열부, 그리고
상기 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 X축, Y축, Z축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 배열한 순서대로 순차적으로 제거하여 상기 PPG 신호에 대한 최종 파워 스펙트럼을 추출하는 추출부를 포함하고,
상기 추출부는,
상기 X축, Y축, Z축 중에서 파워 스펙트럼이 가장 작은 제1축에 대응하는 파워 스펙트럼에 대한 제1 계수 값을 설정하여, 상기 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 제1축에 대한 스펙트럼에 상기 제1 계수값을 곱하여 차감하고,,
상기 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼을 이용하여 X축, Y축, Z축 중에서 파워 스펙트럼이 두번째로 작은 제2축에 대하여 제2 계수 값을 설정하여, 상기 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 제2축에 대한 스펙트럼에 상기 제2 계수값을 곱하여 차감하고,
상기 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼을 이용하여 X축, Y축, Z축 중에서 파워 스펙트럼이 가장 큰 제3축에 대하여 제3 계수 값을 설정하여 상기 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 상기 제3축에 대한 스펙트럼에 상기 제3 계수값을 곱하여 차감하여 파워 스펙트럼()를 추출하는 동잡음 제거 장치.
- 제7항에 있어서,
상기 구간은 이전 구간과 기 설정된 시간만큼 오버랩되도록 추출되며,
상기 배열부는,
최소 제곱법을 이용하여 상기 X축, Y축, Z축 각각의 파워 스펙트럼에 대한 평균 값을 연산하고 상기 평균 값의 크기가 작은 스펙트럼부터 큰 순서대로 상기 X축, Y축, Z축에 대한 파워 스펙트럼을 배열하는 동잡음 제거 장치. - 삭제
- 제8항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 계수 값(ck(i))은 다음의 조건을 만족하도록 설정되는 동잡음 제거 장치:
여기서, Pi k(f)는 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼을 나타내며, c는 계수, Ai k(f)는 3축 가속도에 대한 파워 스펙트럼을 나타내며, k는 배열된 순서에 대응하는 제1 내지 제3축의 인덱스를 나타내며,는 이전 구간에서 추정한 심박수를 이용한 가드 밴드를 나타낸다.
- 제10항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 계수 값은,
다음의 수학식과 같이 상기 연산된 계수(ck(i))와 이전 구간의 계수()를 이용하여 보정되는 동잡음 제거 장치:
여기서,는 보정된 제1 내지 제3 계수 값이고,
는 자기회귀모델에 사용되는 파라미터이며, 초기값으로
을 설정한다.
- 제10항에 있어서,
상기 추출부는,
다음의 수학식과 같이 이전 구간에서 추출된 최종 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼()와 상기 제3축에 대한 스펙트럼와 상기 제3 계수값의 곱한 값이 차감된 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)를 이용하여 최종 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼(
)을 추출하는 단계를 더 포함하는 동잡음 제거 장치:
여기서,은 PPG 신호에 대한 파워 스펙트럼에서 계수값이 곱해진 축에 대한 파워 스펙트럼이 차감된 파워 스펙트럼을 나타내며,
는 가중치 합을 조절하는 파라미터이며, 이전 구간의 초기값은
로 설정한다.
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