KR101922221B1 - Apparatus and method for Respiration detection using PPG signal - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 호흡률 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 웨어러블 디바이스로 사용하려는 방안으로 검지 끝 아래에서 포토다이오드를 이용하여 PPG 신호를 측정하고 추출한 데이터를 가공·분석하여 호흡 상태를 판단하고 호흡수를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for measuring a respiration rate, and more particularly, to a method for use as a wearable device, the PPG signal is measured using a photodiode under the detection end, and the extracted data is processed and analyzed to determine the breathing state, And more particularly,
호흡은 생체신호를 체크하기 위한 가장 유용한 기법 중 하나이며, 비정상적인 호흡은 종종 중대한 질병의 초기 신호를 나타낸다. Respiration is one of the most useful techniques for checking vital signs, and abnormal breathing often represents an early signal of a serious disease.
이에 따라, 현재 호흡을 측정하기 위한 다양한 센서가 출시되어 있다. 대표적으로는 흉부를 둘러매는 띠로 제작되어 가슴의 움직임을 측정하는 센서가 있고, 코밑에 부착하여 흡기와 호기 시 온도변화를 측정하는 센서가 있다. 이뿐만 아니라 혈압계와 같이 팔을 감싸는 형태의 측정기가 있고, 벨트 형식으로 제작되어 호흡을 측정하는 기기도 있다. 하지만 이러한 측정 기기들의 경우 몸에 지니고 다니기 불편한 점과 몸을 압박해야 하는 점이 있어 상시 측정이 쉽지 않다. 압박을 이용하여 측정하는 혈압계도 한 번 측정을 하고 나서는 2∼30분 정도 쉬고 측정을 하도록 권고하고 있다. 이는 압박을 가하게 되면 혈관이 좁아지게 되는데 혈관이 늘어났다 줄어들었다 반복하게 되면 신체에 좋지 않기 때문이다.Accordingly, various sensors for measuring breathing current are available. Typically, there is a sensor that measures the movement of the chest made of a band that surrounds the chest, and a sensor that attaches to the nose and measures temperature changes during inspiration and exhalation. In addition to this, there is a measuring device that wraps around your arm like a blood pressure monitor. However, these measuring instruments are not easy to carry around because they are inconvenient to carry around and require pressure. It is recommended that the sphygmomanometer measured using pressure be measured once after taking a rest for 2 to 30 minutes. This is because when the pressure is applied, the blood vessels become narrower and the blood vessels become larger and smaller. Repeatedly, it is not good for the body.
따라서 언제든지 사용할 수 있고, 압박을 가하지 않아도 되는 생체 신호와 관련한 센서로 호흡에 대한 연구를 많이 진행하고 있다. 이중 광 혈량 측정법(PPG)은 자신의 건강을 확인할 수 있는 기본적인 신호이며, 맥박을 측정하는 센서로 맥박에 포함된 호흡 성분을 이용하여 호흡과 관련된 많은 연구가 진행되었다. 특히 PPG 센서는 포토다이오드를 사용하여 쉽게 소형화 할 수 있기 때문에, 웨어러블 디바이스에 탑재하기 접합하다. Therefore, many researches on respiration are being conducted with sensors related to biological signals that can be used at any time and do not need to be pressed. The PPG is a basic signal that can confirm the health of the person, and many researches related to respiration have been conducted by using the respiratory component included in the pulse as a pulse measuring sensor. Particularly, PPG sensors can be easily miniaturized by using photodiodes, so they are mounted on wearable devices.
이에 따라, PPG 신호를 이용한 무구속적 검출에 관한 실험으로 베개를 이용하여 수면 중 호흡과 심박 수를 추출한 실험이 있었으나 몸부림이 심하거나 베개를 벗어나는 경우 측정하지 못하는 문제점이 있다.Therefore, there is a problem in that when the pillow is used to extract breathing and heart rate during the sleep test, there is a problem that the patient is struggling or can not measure the pillow when the pillow is removed.
또한 손목에서 측정한 PPG 신호로 시간 축을 주파수 축으로 변형하는 FFT를 이용하여 호흡수를 측정한 실험이 있다. 하지만 일정한 간격의 호흡 신호에서는 실제 호흡 횟수와 유사한 결과를 유도할 수 있었으나 호흡 간격이 일정하지 않은 경우에는 정확도가 매우 떨어지는 문제점이 있다.There is also an experiment in which the respiration rate is measured using an FFT that transforms the time axis to the frequency axis with the PPG signal measured at the wrist. However, it is possible to induce a similar result to the actual breathing frequency in the case of a constant interval breathing signal. However, when the breathing interval is not constant, the accuracy is very low.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 웨어러블 디바이스로 사용하려는 방안으로 검지 끝 아래에서 포토다이오드를 이용하여 PPG 신호를 측정하고 추출한 데이터의 가공·분석을 통한 PPG 신호 패턴을 이용하여 정확도가 개선된 호흡 상태를 판단하고 호흡수를 측정하는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a wearable device that measures a PPG signal using a photodiode under the detection end, and uses a PPG signal pattern And to provide a device and a method for determining the breathing state with improved accuracy and measuring the breathing number.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 장치의 특징은 소정의 측정 신체 부위에 빛을 조사하고, 반사되는 빛을 감지함으로써 혈류량의 변화를 측정하여 PPG 신호를 발생하는 PPG 측정기와, 상기 PPG 측정기에서 측정된 PPG 신호의 가공 분석을 통해 PPG 신호 패턴으로 호흡의 최고점을 검출하는 유형 분석부와, 상기 유형 분석부에서 분석된 PPG 신호의 패턴으로 검출된 호흡의 최고점을 기반으로 호흡을 검출하는 호흡 검출부를 포함하여 구성되는데 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a respiration detection apparatus using a PPG signal, the apparatus comprising: a light source for irradiating light to a predetermined measurement site and detecting reflected light to generate a PPG signal, A type analyzer for detecting a peak of respiration in the PPG signal pattern through processing analysis of the PPG signal measured by the PPG measuring device; And a respiration detection unit for detecting respiration based on the received signal.
바람직하게 상기 측정되는 혈류량의 변화는 호흡 성분에 해당하는 주파수 대역 0.1∼0.5 Hz의 신호를 BPF를 이용하여 추출하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the change in the measured blood flow rate is characterized by extracting a signal having a frequency band of 0.1 to 0.5 Hz corresponding to a respiration component using a BPF.
바람직하게 상기 유형 분석부는 PPG 신호의 변화 유형으로 최고점이 뚜렷하게 구분되는 파형을 갖는 정상적인 유형(A형)과, 파형의 상승이 이루어지고 나서 또 다시 상승이 이루어지는 경우로 숨을 느리게 들여 마셨을 때의 파형을 갖는 유형(B형)과, 음의 최고점을 동반한 경우로 파형의 상승 후 진폭이 감소하는 파형을 갖는 유형(C형)과, 미약호흡 상태에서 맥박의 DC 성분이 상승하는 파형을 갖는 유형(D형)으로 구분하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the type analyzing unit includes a normal type (A type) having a waveform in which the peak is clearly distinguished by a variation type of the PPG signal, and a waveform when the waveform is elevated and then raised again. (Type B) having a peak at which the amplitude of the pulsation increases, a type (type C) having a waveform in which the amplitude after the rise of the waveform decreases with the negative peak, (D type).
바람직하게 상기 유형 분석부는 원신호의 데이터로부터 발생된 PPG 신호의 최고점을 검출하는 최고점 검출부와, 상기 최고점 검출부에서 검출된 최고점을 기반으로 원신호로부터 검출한 데이터로 다음에 있는 데이터가 현재의 데이터보다 큰지 비교하는 제 1 비교부와, 상기 최고점 검출부에서 검출된 최고점을 기반으로 현재 데이터가 데이터의 평균값보다 큰지 비교하는 제 2 비교부와, 상기 최고점 검출부에서 검출된 최고점을 기반으로 증가 감소의 변화가 일정한 기울기 이상의 최고점을 검출하기 위하여 현재 데이터와 다음 데이터의 차이를 비교하여, 그 차이가 임계치보다 작은 데이터들이 임의의 시간 동안 여러 개가 발생하지 않는지를 비교하는 제 3 비교부와, 상기 제 1, 2, 3 비교부에서 비교된 조건 결과가 만족하는 데이터를 호흡이라고 판단하여 호흡의 최고점으로 선택하는 최고점 선택부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the type analyzer includes a peak detector for detecting a peak of a PPG signal generated from data of an original signal, and a detector for detecting a peak of the PPG signal based on the peak detected by the peak detector, A second comparator for comparing whether the current data is larger than the average value of the data based on the highest point detected by the highest point detector; A third comparator for comparing the difference between the current data and the next data to detect a peak exceeding a predetermined slope and comparing whether the data whose difference is smaller than the threshold value does not occur during an arbitrary time; , ≪ / RTI > < RTI ID = 0.0 > 3 < And a maximum point selection unit for selecting the maximum point of breathing.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 방법의 특징은 (A) PPG 측정기를 이용하여 소정의 측정 신체 부위에 빛을 조사하고 반사되는 빛을 감지하여 혈류량의 변화에 따른 PPG 신호를 측정하는 단계와, (B) 유형 분석부를 이용하여 측정된 PPG 신호의 가공 분석을 통해 PPG 신호 패턴으로 호흡의 최고점을 검출하는 단계와, (C) 상기 호흡의 최고점이 검출되면, 호흡 검출부를 이용하여 상기 분석된 PPG 신호의 패턴으로 검출된 호흡의 최고점을 기반으로 호흡을 검출하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a respiration detection method using a PPG signal, comprising the steps of: (A) irradiating a predetermined measurement site with light using a PPG measuring device to detect reflected light, (B) detecting a peak of respiration in the PPG signal pattern through processing analysis of the PPG signal measured using the type analyzer, (C) when the peak of the respiration is detected, And detecting respiration based on the peak of the respiration detected in the pattern of the analyzed PPG signal using the respiration detection unit.
바람직하게 상기 (A) 단계는 호흡 성분에 해당하는 주파수 대역 0.1∼0.5 Hz의 신호를 BPF를 이용하여 추출하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step (A) extracts a signal having a frequency band of 0.1 to 0.5 Hz corresponding to a respiratory component using a BPF.
바람직하게 상기 (B) 단계는 PPG 신호 패턴으로 정상적인 경우로 최고점이 뚜렷하게 구분이 되는 파형(A형)과, 파형의 상승이 이루어지고 나서 또 다시 상승이 이루어지는 경우로 숨을 느리게 들여 마셨을 때의 파형(B형)과, 음의 최고점을 동반한 경우로 파형의 상승 후 진폭이 감소하는 현상의 파형(C형)과, 미약호흡 상태에서 맥박의 DC성분이 상승하는 파형(D형)의 유형으로 구분하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step (B) includes a waveform (A type) in which a peak is clearly distinguished in a normal case with a PPG signal pattern, and a waveform in which a breath is slowly drawn when the waveform is elevated again. (Type B), waveform (C type) in which the amplitude decreases after the rise of the waveform with negative peak, and waveform type (D type) in which the DC component of the pulse rises in the weakly breathing state .
바람직하게 상기 (B) 단계는 최고점 검출부를 통해 원신호의 데이터로부터 발생된 PPG 신호의 최고점을 검출하는 단계와, 상기 검출된 최고점을 기반으로 제 1 비교부에서 원신호로부터 검출한 데이터로 다음에 있는 데이터가 현재의 데이터보다 큰지 비교하는 제 1 비교단계와, 상기 검출된 최고점을 기반으로 제 2 비교부에서 현재 데이터가 데이터의 평균값보다 큰지 비교하는 제 2 비교단계와, 상기 검출된 최고점을 기반으로 제 3 비교부에서 증가 감소의 변화가 일정한 기울기 이상의 최고점을 검출하기 위하여 현재 데이터와 다음 데이터의 차이를 비교하여, 그 차이가 임계치보다 큰 데이터들이 임의의 시간 동안 여러 개가 발생하지 않는지를 비교하는 제 3 비교단계와, 상기 제 1, 2, 3 비교단계를 통해 비교된 조건 결과가 만족하는 데이터를 호흡이라고 판단하여 최고점 선택부를 통해 호흡의 최고점으로 선택하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step (B) includes the steps of: detecting the peak of the PPG signal generated from the data of the original signal through the peak detecting unit; A second comparing step of comparing a current peak value with a current peak value and comparing whether the current data is larger than the current data; The third comparator compares the difference between the current data and the next data in order to detect the highest point having a gradient of change of the increase and decrease in the third comparator and compares whether the data whose difference is larger than the threshold value does not occur several times during an arbitrary time Comparing the data satisfying the conditional comparison result through the first, second and third comparison steps with breathing To determine and is characterized in that comprises the step of selecting the highest point of the breath through the peak selection.
바람직하게 상기 제 1, 2, 3 비교단계를 통해 비교된 결과에 따른 조건들이 만족하지 않으면 다음 데이터를 계속해서 비교하고 만족하는 데이터만을 호흡의 최고점으로 선택하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.Preferably, if the conditions based on the compared results through the first, second, and third comparing steps are not satisfied, the method further includes the step of continuously comparing the next data and selecting only the satisfactory data as the highest point of breathing .
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 장치 및 방법은 PPG 신호를 기초로 구현하고, PPG 신호 패턴을 이용한 신뢰성 있는 측정을 통해 정확도가 개선된 호흡 상태 및 호흡수를 측정할 수 있는 효과가 있다.As described above, the apparatus and method for breathing detection using the PPG signal according to the present invention are implemented based on the PPG signal, and the respiration state and respiratory rate can be measured with improved accuracy through reliable measurement using the PPG signal pattern There is an effect.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 장치의 구성을 나타낸 블록도
도 2 는 도 1에서 유형 분석부를 통해 PPG 신호의 변화를 4가지 유형으로 구분한 파형을 나타낸 도면
도 3 은 도 1에서 유형 분석부의 구성을 상세히 나타낸 블록도
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도
도 5 는 도 1의 PPG 측정기에서 원신호의 데이터로부터 측정된 PPG 신호를 나타낸 도면
도 6 은 도 5(b)에 PPG 신호의 최고점을 검출한 파형을 나타낸 도면
도 7 은 도 5에서 측정된 PPG 신호의 호흡 신호의 유형을 4가지 유형으로 나타낸 도면
도 8 은 본 발명에서 FP와 TN이 발생하는 경우를 나타낸 도면1 is a block diagram showing a configuration of a breathing detection apparatus using a PPG signal according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a diagram showing waveforms in which the change of the PPG signal is divided into four types through the type analyzer in FIG. 1
FIG. 3 is a block diagram showing in detail the configuration of the type analyzer in FIG.
4 is a flowchart for explaining a breath detection method using a PPG signal according to an embodiment of the present invention.
Fig. 5 is a view showing a PPG signal measured from data of an original signal in the PPG measuring instrument of Fig. 1
Fig. 6 is a diagram showing a waveform in which the peak of the PPG signal is detected in Fig. 5 (b)
FIG. 7 is a graph showing the types of respiration signals of the PPG signal measured in FIG. 5 as four types
Fig. 8 is a diagram showing a case where FP and TN occur in the present invention
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.A preferred embodiment of a respiration detection apparatus and method using PPG signals according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to let you know. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, various equivalents It should be understood that water and variations may be present.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram showing a configuration of a breathing detection apparatus using PPG signals according to an embodiment of the present invention.
도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 본 발명의 호흡 검출 장치는 소정의 측정 신체 부위에 빛을 조사하고, 반사되는 빛을 감지함으로써 혈류량의 변화를 측정하여 PPG 신호를 발생하는 PPG 측정기(100)와, 상기 PPG 측정기(100)에서 측정된 PPG 신호의 가공 분석을 통해 PPG 신호 패턴으로 호흡의 최고점을 검출하는 유형 분석부(200)와, 상기 유형 분석부(200)에서 분석된 PPG 신호의 패턴으로 검출된 호흡의 최고점을 기반으로 호흡(호흡상태, 호흡수 등)을 검출하는 호흡 검출부(300)로 구성된다.As shown in FIG. 1, the respiration detection apparatus of the present invention includes a
이때, 상기 PPG 측정기(100)는 맥박에 해당하는 0.1∼10 Hz의 주파수에서 호흡 성분에 해당하는 주파수 대역 0.1∼0.5 Hz의 신호를 BPF를 이용하여 추출한다. At this time, the
그리고 상기 유형 분석부(200)는 무호흡, 정상호흡, 미약호흡 등이 포함되는 호흡에 대한 PPG 신호에서 정확한 호흡 시점을 도출하기 위하여 호흡 시 나타나는 PPG 신호의 변화 유형을 4가지 유형으로 구분하고 나타낼 수 있다. The
즉, 도 2(a)는 정상적인 경우로 최고점이 뚜렷하게 구분이 되는 파형이며, 이후 A형이라 한다. 도 2(b)는 파형의 상승이 이루어지고 나서 또 다시 상승이 이루어지는 경우로 숨을 느리게 들여 마셨을 때의 파형이며, 이후 B형이라 한다. 도 2(c)는 음의 최고점을 동반한 경우로 파형의 상승 후 진폭이 감소하는 현상이고, 이후 C형이라 한다. 마지막으로 도 2(d)는 미약호흡 상태에서 맥박의 DC 성분이 상승하는 경우로, 이후 D형이라 한다.That is, FIG. 2 (a) is a waveform in which the peak is clearly distinguished from a normal case, and is hereinafter referred to as an A-type. Fig. 2 (b) is a waveform when the waveform is lifted up and then rises again. FIG. 2 (c) is a phenomenon accompanied by a peak of the sound, in which the amplitude after the rise of the waveform decreases. Finally, FIG. 2 (d) shows a case in which the DC component of the pulse rises in a weak respiration state, which is hereinafter referred to as D type.
한편, 상기 유형 분석부(200)는 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 원신호의 데이터로부터 발생된 PPG 신호의 최고점을 검출하는 최고점 검출부(210)와, 상기 최고점 검출부(210)에서 검출된 최고점을 기반으로 원신호로부터 검출한 데이터로 다음에 있는 데이터가 현재의 데이터보다 큰지 비교하는 제 1 비교부(220)와, 상기 최고점 검출부(210)에서 검출된 최고점을 기반으로 현재 데이터가 데이터의 평균값보다 큰지 비교하는 제 2 비교부(230)와, 상기 최고점 검출부(210)에서 검출된 최고점을 기반으로 증가 감소의 변화가 일정한 기울기 이상의 최고점을 검출하기 위하여 현재 데이터와 다음 데이터의 차이를 비교하고, 그 차이가 임계치보다 큰 데이터들이 임의의 시간 동안 여러 개가 발생하지 않는지를 비교하는 제 3 비교부(240)와, 상기 제 1, 2, 3 비교부(210)(220)(230)에서 비교된 조건 결과가 만족하는 데이터를 호흡이라고 판단하여 호흡의 최고점으로 선택하는 최고점 선택부(250)로 구성된다.3, the
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 장치의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1 또는 도 3과 동일한 참조부호는 동일한 기능을 수행하는 동일한 부재를 지칭한다. The operation of the breathing detection apparatus using the PPG signal according to the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in FIG. 1 or FIG. 3 designate the same members performing the same function.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a breath detection method using a PPG signal according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하여 설명하면, 먼저 PPG 측정기(100)를 이용하여 소정의 측정 신체 부위에 빛을 조사하고 반사되는 빛을 감지하여 혈류량의 변화에 따른 PPG 신호를 측정한다(S100). 이때, PPG 측정기(100)는 맥박에 해당하는 0.1∼10 Hz의 주파수에서 호흡 성분에 해당하는 주파수 대역 0.1∼0.5 Hz의 신호를 BPF를 이용하여 추출한다. Referring to FIG. 4, first, light is irradiated to a predetermined body part using a
이어 유형 분석부(200)를 이용하여 측정된 PPG 신호의 가공 분석을 통해 PPG 신호 패턴으로 호흡의 최고점을 검출한다(S200). Then, the peak of respiration is detected in the PPG signal pattern through processing analysis of the PPG signal measured using the type analyzer 200 (S200).
이때, 본 발명은 무호흡, 정상호흡, 미약호흡 등이 포함되는 모든 호흡에 대한 PPG 신호에서 정확한 호흡 시점을 도출하기 위하여 호흡 시 나타나는 PPG 신호의 변화 유형을 분석한다. 이를 위해 상기 PPG 신호의 가공 분석은 호흡 시 나타나는 PPG 신호의 변화를 다음 4가지 유형으로 구분하고 나타내었다. 첫 번째 유형으로 도 2(a)에서 도시하고 있는 것과 같이 정상적인 경우로 최고점이 뚜렷하게 구분이 되는 파형이며, 이후 A형이라 한다. 두 번째 유형으로 도 2(b)에서 도시하고 있는 것과 같이 파형의 상승이 이루어지고 나서 또 다시 상승이 이루어지는 경우로 숨을 느리게 들여 마셨을 때의 파형이며 B형이라 한다. 세 번째 유형으로 도 2(c)에서 도시하고 이는 것과 같이 음의 최고점을 동반한 경우로 파형의 상승 후 진폭이 감소하는 현상이고 C형이라 한다. 마지막 네 번째 유형으로 도 2(d)에서 도시하고 있는 것과 같이 미약호흡 상태에서 맥박의 DC성분이 상승하는 경우로 D형이라 한다.At this time, the present invention analyzes the change type of the PPG signal appearing during respiration to derive an accurate breathing point from the PPG signal for all breath including apnea, normal breath, and weak breathing. For this purpose, the processing analysis of the PPG signal is divided into the following four types of PPG signal changes during respiration. As the first type, as shown in Fig. 2 (a), the peak is clearly distinguished as a normal case, and is referred to as A type. As a second type, as shown in FIG. 2 (b), the waveform is a waveform when the waveform is raised and then the waveform is raised again. The third type is shown in FIG. 2 (c), and this is a phenomenon accompanied by a peak of the sound as shown in FIG. In the last fourth type, as shown in Fig. 2 (d), the case in which the DC component of the pulse rises in the weak respiration state is referred to as D type.
상기 S200 단계를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.The step S200 will be described in more detail as follows.
먼저, 최고점 검출부(210)를 통해 원신호의 데이터로부터 발생된 PPG 신호의 최고점을 검출한다(S210).First, the peak of the PPG signal generated from the data of the original signal is detected through the peak detector 210 (S210).
이때, 검출되는 PPG 신호는 파형의 상승과 하강이 연속적으로 이루어지는 파형으로 처리가 간단하지만 최고점을 모두 검출해 낼 수 있는 알고리즘을 도출하였으며, 단순화된 호흡 패턴을 적용하기 위하여 원신호의 데이터로부터 최고점 추출 알고리즘을 적용한다. 도출된 최고점 검출 알고리즘은 현재 데이터와 다음 데이터를 비교하여 진폭이 상승하다가 하강하는 지점에 좌표 값을 저장하는 방법으로 모든 맥박의 최고점을 검출해 낼 수 있다.In this case, the detected PPG signal is a waveform in which the rising and falling of the waveform are continuous and the processing is simple, but the algorithm that can detect all the peaks is derived. In order to apply the simplified respiration pattern, Algorithm. The derived peak detection algorithm can detect the peak of all pulses by comparing the current data with the next data, storing the coordinates at the point where the amplitude rises and then falls.
예로서, 도 6 은 도 5(b)에 PPG 신호의 최고점을 검출한 파형으로 도 5(b)의 최고점과 일치한다. 그리고 최고점 검출 알고리즘을 적용한 데이터로 도 2의 호흡 신호의 유형별로 다시 나타내면 도 7과 같다. 도 7의 호흡 신호 분류에서 호흡 신호 A형과 B형은 최고점에서 호흡이 이루어진다고 판단한다. 또한 호흡 신호 C형의 경우에는 호흡이 아닌 낮은 최고점이 존재하는데, 이 경우 최고점의 문턱 값을 설정하여 호흡이 아닌 낮은 최고점을 배제한다. 그리고 D형의 경우에는 호흡이 아닌 문턱 값보다 큰 최고점이 존재하는데, 이 경우 호흡은 한 번 이루어진 후 일정 시간 이후에 다시 이루어지므로 최고점 이후 일정 시간 이내에 다시 나타나는 최고점을 배제하여야 한다.As an example, FIG. 6 is a waveform in which the peak of the PPG signal is detected in FIG. 5 (b) and coincides with the peak in FIG. 5 (b). The data obtained by applying the peak detection algorithm is shown in FIG. 7 again according to the respiration signal type shown in FIG. In the respiratory signal classification of FIG. 7, respiratory signals A and B are judged to be breathing at the peak. In the case of the respiration C type, there is a low peak, not a respiration. In this case, the threshold of the peak is set to exclude the low peak not the breath. In the case of type D, there is a peak which is larger than the threshold value, not breathing. In this case, the respiration should be excluded after a certain time.
이처럼, 본 발명은 PPG 신호에서 최고점을 추출한 데이터로 적용한다. 원신호의 데이터로 알고리즘을 적용하게 되면 많은 데이터를 비교해야하고 신호의 간격이 상승지점과 하강지점에 오래 머무르게 되면 신호의 베이스라인이 바뀌는 현상이 발생하기 때문이다.As described above, the present invention applies the data obtained by extracting the peak from the PPG signal. If the algorithm is applied to the original signal data, it is necessary to compare a lot of data, and if the interval of the signal stays at the rising point and the falling point for a long time, the signal base line changes.
이어 상기 검출된 최고점을 기반으로 제 1 비교부(220)에서 원신호로부터 검출한 데이터로 다음에 있는 데이터가 현재의 데이터보다 큰지 비교한다(S220). 비교결과 다음에 있는 데이터가 큰 경우 호흡에 해당하는 최고점인지 판단한다. 그러나 도 7에와 같이 호흡하였을 때 발생하는 파형의 유형이 다양하게 존재하기 때문에 이를 모두 고려하야야 한다.In step S220, the
또한, 상기 검출된 최고점을 기반으로 제 2 비교부(230)에서 현재 데이터가 데이터의 평균값보다 큰지 비교한다(S230). 신호 C형과 같이 낮은 진폭의 최고점이 호흡이라고 판단할 수도 있기 때문에 현재 데이터가 평균값보다 큰지 비교하여야 한다.In step S230, the
한편, 무호흡의 경우에도 진폭의 증가와 감소가 느려지지만 지속적으로 일어난다. 따라서 상기 검출된 최고점을 기반으로 제 3 비교부(240)에서 증가 감소의 변화가 일정한 기울기 이상의 최고점을 검출하기 위하여 현재 데이터와 다음 데이터의 차이를 비교하여, 그 차이가 임계치보다 큰지를 비교한다(S240).On the other hand, even in the case of apnea, the increase and decrease of the amplitude are slow, but they occur continuously. Therefore, in order to detect the highest point of the slope having a constant change of the increase / decrease in the
그리고 이렇게 비교된 결과가 만족하는 데이터를 호흡이라고 판단하여 최고점 선택부(250)를 통해 호흡의 최고점으로 선택한다(S250). 이처럼, 상기 비교된 결과에 따른 조건들이 만족하지 않으면 다음 데이터를 계속해서 비교하고 만족하는 데이터만을 호흡의 최고점으로 선택하게 된다.Then, it is determined that the data satisfying the comparison result is breathing, and is selected as the highest point of respiration through the peak-point selecting unit 250 (S250). Thus, if the conditions according to the compared result are not satisfied, the next data is continuously compared and only the satisfactory data is selected as the highest point of breathing.
한편, 선택된 호흡의 최고점이 임의의 시간(500ms) 동안 여러 개가 발생하는지를 확인한다(S260). 즉, D형과 같이 짧은 시간에 여러 개의 최고점이 발생하는 경우 일반적인 호흡의 경우 0.5초 이내에 다시 호흡하지 않는다는 가정으로 하고 호흡을 검출하고 0.5초 이내에 발생하는 최고점은 호흡이 아니라고 판단한다.On the other hand, it is checked whether several points of the selected respiration occur during a certain time (500 ms) (S260). In other words, if several peaks occur in a short time like D type, it is assumed that the respiration is not detected within 0.5 seconds in case of general respiration, and it is judged that the peak occurring within 0.5 second is not respiration.
이렇게 호흡의 최고점이 검출되면(S200), 호흡 검출부(300)를 이용하여 상기 분석된 PPG 신호의 패턴으로 검출된 호흡의 최고점을 기반으로 호흡(호흡상태, 호흡수 등)을 검출한다(S300).When the peak of the breath is detected (S200), the respiration detection unit (300) detects the respiration (respiration state, respiratory rate, etc.) based on the peak of the respiration detected in the pattern of the analyzed PPG signal (S300) .
이때, 호흡의 판단에서 오류가 발생하는 경우는 FP(False Positive)와 TN(True Negative)로서, FP는 호흡이 없는데 있다고 판단하는 것을 나타내고, TN은 호흡을 하였는데 하지 않았다고 판단하는 것이다.In this case, when an error occurs in the judgment of respiration, FP (False Positive) and TN (True Negative) indicate that the FP judges that there is no breathing, and TN judges that breathing has not been performed.
도 8 은 본 발명에서 FP와 TN이 발생하는 경우를 나타낸 도면이다.FIG. 8 is a diagram showing a case where FP and TN are generated in the present invention. FIG.
도 8을 참조하여 설명하면, 실제 호흡 2회 실시한 도 8(a)의 파형으로 알고리즘을 적용하였을 때, 전체 평균이 높게 형성되어 호흡을 하였음에도 불구하고 호흡을 하지 않았다고 판단하여 도 8(b)의 경우와 같이 1개의 최고점만을 검출한 경우이다.Referring to FIG. 8, when the algorithm is applied to the waveform of FIG. 8 (a) performed twice in actual breathing, it is determined that the overall average is high and the breathing is not performed despite the breathing, As in the case where only one peak is detected.
이때, 도 8(c)와 같이 전체 평균을 -100으로 낮췄을 때 호흡에 해당하는 최고점이 2회 검출된 것을 확인할 수 있다. 그러나 평균값을 더 낮추게 되면 호흡을 하지 않았음에도 호흡으로 발생하는 도 8(d)와 같은 경우가 발생하게 된다.At this time, when the overall average is lowered to -100 as shown in FIG. 8 (c), it can be seen that the peak corresponding to respiration is detected twice. However, if the average value is further lowered, the same situation as shown in FIG. 8 (d) that occurs due to respiration occurs even though the patient does not breath.
따라서 측정된 호흡에 평균값을 적절하게 조절하여 최고점을 검출하여야 한다.Therefore, the peak should be detected by appropriately adjusting the average value to the measured respiration.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
Claims (9)
상기 PPG 측정기에서 측정된 PPG 신호의 가공 분석을 통해 PPG 신호 패턴으로 호흡의 최고점을 검출하는 유형 분석부와,
상기 유형 분석부에서 분석된 PPG 신호의 패턴으로 검출된 호흡의 최고점을 기반으로 호흡을 검출하는 호흡 검출부를 포함하고,
상기 유형 분석부는 원신호의 데이터로부터 발생된 PPG 신호의 최고점을 검출하여 다음에 있는 데이터가 현재의 데이터보다 큰지 제 1 비교를 하고, 현재 데이터가 데이터의 평균값보다 큰지 제 2 비교를 하고, 현재 데이터와 다음 데이터의 차이가 임계치보다 큰지 제 3 비교를 하여 제 1, 2, 3 비교된 조건 결과가 만족하는 데이터를 호흡이라고 판단하여 호흡의 최고점으로 선택하고, 선택된 호흡의 최고점이 임의의 시간 500ms 동안 여러 개가 발생하는지를 확인하여, 여러 개의 최고점이 발생하는 경우 호흡이 아니라고 판단하는 것을 특징으로 하는 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 장치.A PPG measuring device for measuring a change in blood flow by irradiating light on a predetermined measurement body part and detecting reflected light to generate a PPG signal,
A type analyzer for detecting a peak of respiration in a PPG signal pattern through processing analysis of the PPG signal measured by the PPG measuring instrument,
And a respiration detecting unit for detecting respiration based on a peak of respiration detected as a pattern of the PPG signal analyzed by the type analyzer,
The type analyzer detects the peak of the PPG signal generated from the data of the original signal, performs first comparison to determine whether the next data is larger than the current data, performs second comparison to determine whether the current data is larger than the average value of the data, And the third data is compared with the next data to determine whether the data satisfying the first, second, and third comparison conditions are respiration, and selects the highest point of the respiration as the highest point of the respiration. And if it is determined that a plurality of peaks are generated, it is determined that no respiration occurs.
상기 측정되는 혈류량의 변화는 호흡 성분에 해당하는 주파수 대역 0.1∼0.5 Hz의 신호를 BPF를 이용하여 추출하는 것을 특징으로 하는 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 장치.The method according to claim 1,
Wherein the change in the measured blood flow rate is obtained by extracting a signal having a frequency band of 0.1 to 0.5 Hz corresponding to a respiratory component using a BPF.
최고점이 뚜렷하게 구분되는 파형을 갖는 정상적인 유형(A형)과,
파형의 상승이 이루어지고 나서 또 다시 상승이 이루어지는 경우로 숨을 느리게 들여 마셨을 때의 파형을 갖는 유형(B형)과,
음의 최고점을 동반한 경우로 파형의 상승 후 진폭이 감소하는 파형을 갖는 유형(C형)과,
미약호흡 상태에서 맥박의 DC 성분이 상승하는 파형을 갖는 유형(D형)으로 구분하는 것을 특징으로 하는 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 장치.The apparatus as claimed in claim 1, wherein the type analyzer
A normal type (A type) having a waveform in which the peak is clearly distinct,
(B type) having a waveform when the user breathes slowly when he / she breathes again,
Type (C type) having a waveform in which the amplitude decreases after rising of the waveform when the peak of the sound is accompanied,
And a type (D type) having a waveform in which a DC component of a pulse rises in a weak respiration state is distinguished from a respiration detection apparatus using a PPG signal.
원신호의 데이터로부터 발생된 PPG 신호의 최고점을 검출하는 최고점 검출부와,
상기 최고점 검출부에서 검출된 최고점을 기반으로 원신호로부터 검출한 데이터로 다음에 있는 데이터가 현재의 데이터보다 큰지 비교하는 제 1 비교부와,
상기 최고점 검출부에서 검출된 최고점을 기반으로 현재 데이터가 데이터의 평균값보다 큰지 비교하는 제 2 비교부와,
상기 최고점 검출부에서 검출된 최고점을 기반으로 증가 감소의 변화가 일정한 기울기 이상의 최고점을 검출하기 위하여 현재 데이터와 다음 데이터의 차이를 비교하여, 그 차이가 임계치보다 큰 데이터들이 임의의 시간 동안 여러 개가 발생하지 않는지를 비교하는 제 3 비교부와,
상기 제 1, 2, 3 비교부에서 비교된 조건 결과가 만족하는 데이터를 호흡이라고 판단하여 호흡의 최고점으로 선택하는 최고점 선택부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 장치.The apparatus of claim 1, wherein the type analyzer
A peak detector for detecting the peak of the PPG signal generated from the data of the original signal,
A first comparator for comparing the data detected from the original signal based on the highest point detected by the highest point detector with the current data;
A second comparing unit for comparing whether the current data is larger than the average value of the data on the basis of the highest point detected by the highest point detecting unit,
The difference between the current data and the next data is compared in order to detect the highest point of the slope having a constant change of the increase and decrease based on the highest point detected by the highest point detection unit, and a plurality of data whose difference is larger than the threshold value occur during an arbitrary time A third comparing unit for comparing whether or not the first comparison unit is in the non-
And a peak selecting unit for selecting the data satisfying the comparison result in the first, second and third comparing units as breathing and selecting the highest data as the peak of respiration.
(B) 유형 분석부를 이용하여 측정된 PPG 신호의 가공 분석을 통해 PPG 신호 패턴으로 호흡의 최고점을 검출하기 위하여, 원신호의 데이터로부터 발생된 PPG 신호의 최고점을 검출하여 다음에 있는 데이터가 현재의 데이터보다 큰지 제 1 비교를 하고, 현재 데이터가 데이터의 평균값보다 큰지 제 2 비교를 하고, 현재 데이터와 다음 데이터의 차이가 임계치보다 큰지 제 3 비교를 하여 제 1, 2, 3 비교된 조건 결과가 만족하는 데이터를 호흡이라고 판단하여 호흡의 최고점으로 선택하고, 선택된 호흡의 최고점이 임의의 시간 500ms 동안 여러 개가 발생하는지를 확인하여, 여러 개의 최고점이 발생하는 경우 호흡이 아니라고 판단하는 단계와,
(C) 상기 호흡의 최고점이 검출되면, 호흡 검출부를 이용하여 상기 분석된 PPG 신호의 패턴으로 검출된 호흡의 최고점을 기반으로 호흡을 검출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 방법.(A) measuring a PPG signal according to a change in blood flow by irradiating light to a predetermined body part using a PPG measuring instrument and detecting reflected light,
(B) The peak of the PPG signal generated from the data of the original signal is detected in order to detect the peak of respiration in the PPG signal pattern through processing analysis of the PPG signal measured using the type analyzer, A second comparison is made to see if the current data is greater than the average value of the data and a third comparison is made to see if the difference between the current data and the next data is greater than the threshold, Determining that the satisfactory data is the respiration and selecting the highest data as the highest point of the respiration and confirming whether the highest peak of the selected respiration occurs several times during a certain time of 500 ms,
(C) detecting respiration based on the peak of the respiration detected in the pattern of the analyzed PPG signal using the respiration detection unit when the peak of the respiration is detected. Detection method.
상기 (A) 단계는 호흡 성분에 해당하는 주파수 대역 0.1∼0.5 Hz의 신호를 BPF를 이용하여 추출하는 것을 특징으로 하는 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 방법.6. The method of claim 5,
Wherein the step (A) extracts a signal having a frequency band of 0.1 to 0.5 Hz corresponding to a respiratory component using a BPF.
정상적인 경우로 최고점이 뚜렷하게 구분이 되는 파형(A형)과, 파형의 상승이 이루어지고 나서 또 다시 상승이 이루어지는 경우로 숨을 느리게 들여 마셨을 때의 파형(B형)과, 음의 최고점을 동반한 경우로 파형의 상승 후 진폭이 감소하는 현상의 파형(C형)과, 미약호흡 상태에서 맥박의 DC성분이 상승하는 파형(D형)의 유형으로 구분하는 것을 특징으로 하는 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 방법.6. The method of claim 5, wherein the step (B)
In the normal case, the peak (A type) with the highest peak is clearly distinguished from the waveform (B type) when the breath is slowed by the rise of the waveform after the rise of the waveform. (Type C) in which the amplitude after the rise of the waveform is decreased (type C) and the type of the waveform (D type) in which the DC component of the pulse rises in the weakly breathing state. Way.
최고점 검출부를 통해 원신호의 데이터로부터 발생된 PPG 신호의 최고점을 검출하는 단계와,
상기 검출된 최고점을 기반으로 제 1 비교부에서 원신호로부터 검출한 데이터로 다음에 있는 데이터가 현재의 데이터보다 큰지 비교하는 제 1 비교단계와,
상기 검출된 최고점을 기반으로 제 2 비교부에서 현재 데이터가 데이터의 평균값보다 큰지 비교하는 제 2 비교단계와,
상기 검출된 최고점을 기반으로 제 3 비교부에서 증가 감소의 변화가 일정한 기울기 이상의 최고점을 검출하기 위하여 현재 데이터와 다음 데이터의 차이를 비교하여, 그 차이가 임계치보다 큰 데이터들이 임의의 시간 동안 여러 개가 발생하지 않는지를 비교하는 제 3 비교단계와,
상기 제 1, 2, 3 비교단계를 통해 비교된 조건 결과가 만족하는 데이터를 호흡이라고 판단하여 최고점 선택부를 통해 호흡의 최고점으로 선택하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 방법.8. The method of claim 7, wherein step (B)
Detecting the highest point of the PPG signal generated from the data of the original signal through the peak detecting unit,
A first comparison step of comparing, based on the detected maximum point, data detected from an original signal in a first comparison unit to determine whether the next data is larger than current data;
A second comparing step of comparing the current data with an average value of data on the basis of the detected maximum point,
The difference between the current data and the next data is compared in order to detect the highest point of the slope having a constant change of the increase and decrease in the third comparator based on the detected maximum point, and data of which the difference is larger than the threshold value, A third comparing step of comparing whether or not the signal is not generated,
Determining that the data satisfying the comparison result through the first, second and third comparison steps is breathing, and selecting the respiration peak as a peak of respiration through the peak selection unit .
상기 제 1, 2, 3 비교단계를 통해 비교된 결과에 따른 조건들이 만족하지 않으면 다음 데이터를 계속해서 비교하고 만족하는 데이터만을 호흡의 최고점으로 선택하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 PPG 신호를 사용한 호흡 검출 방법.9. The method of claim 8,
Further comprising the step of comparing the next data and selecting only the satisfactory data as the peak of the respiration if the conditions based on the compared result through the first, second and third comparison steps are not satisfied, .
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