KR102059685B1

KR102059685B1 - Ppg를 이용한 맥박수 추정방법 및 장치

Info

Publication number: KR102059685B1
Application number: KR1020160168967A
Authority: KR
Inventors: 한동석; 김치성
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2019-12-26
Also published as: KR20180067348A

Abstract

발명의 실시예에 따른 PPG를 이용한 맥박수 추정 장치는 복수의 지점에서 복수의 Photoplethysmography(PPG) 신호를 측정하는 측정부; 상기 복수의 PPG 신호를 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용하여 복수의 스펙트럼으로 변환하는 푸리에 변환부; 상기 복수의 스펙트럼을 합산하는 스펙트럼 합산부; 및 상기 합산된 스펙트럼에서 복수의 피크값을 검출하는 피크값 검출부;를 포함한다.

Description

PPG를 이용한 맥박수 추정방법 및 장치{Apparatus and method for estimating heart beat using photo-plethysmogram}

본 발명은 PPG(광전용적맥파: photo-plethysmogram)를 이용한 맥박수 추정방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 미리 정해진 거리 간격에 따라 배치된 상기 PPG 센서로부터 측정된 제1 PPG 신호 및 제2 PPG 신호를 이용하여 동적잡음이 감소된 스펙트럼을 추출하여 맥박 수를 추정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

적당한 운동량 조절을 위해서 운동 중 심박수 측정은 중요하다. 종래의 심박수를 측정하는 방법으로는 광 혈류량 측정기(photo-plethysmogram: PPG) 또는 심전도(Electrocardiogram: ECG)를 이용하는 방법이 있다. 이때, PPG는 소정 개수의 LED와 광추출기를 이용하여 심장 박동과 관련되는 혈류량 신호를 추출하는 것으로, PPG 센서모듈을 신체의 일부분(일 예로, 손가락, 귀)에 접촉하여 접촉점을 통해 혈류량 정보를 추출하는 것이며, ECG는 신체에 부착된 피부표면전극을 통해 심장박동 동안에 심장 근육이 탈분극 될 때 유발되는 피부에서의 미세한 전기적 변화를 탐지하여 심박수를 측정하는 것이다.

그러나, 생체 신호를 측정함에 있어 생체 신호 측정 장치는 필연적으로 사용자가 움직임 또는 측정 환경의 불규칙성에 의하여 피검체의 측정 결과에 잡음이 발생하게 되고 잡음이 포함된 PPG 신호가 측정되면 맥박 수를 측정하기 상당히 까다롭다는 문제점이 있다.

한국 출원번호 제10-2002-0020353호

본 발명은 두 채널에서 획득한 PPG신호의 누적 스펙트럼을 이용하여 동적잡음이 억제된 스펙트럼을 추출후 맥박수를 추정함으로써 보다 정확한 생체 신호를 추출할 수 있는 PPG를 이용한 맥박수 추정방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 실시예에 따른 PPG를 이용한 맥박수 추정방법은 복수의 지점에서 PPG 신호를 추출하는 단계; 상기 PPG 신호를 FFT을 통하여 스펙트럼으로 각각 변환하는 단계; 상기 변환된 스펙트럼을 합산하는 단계; 및 상기 합산된 스펙트럼의 첨두치를 추출하는 단계를 포함한다.

본 발명은 생체신호 측정시 발생하는 동적 잡음을 효과적으로 제거할 수 있으며, 동적 잡음을 제거하기 어려운 환경에서도 정확한 맥박을 추정할 수 있다. 그리고 본 발명은 생체 신호 처리 과정에서 이전에 추출된 맥박수를 기반으로 새로운 맥박수를 추정함으로써 맥박수를 추정하기 어려운 환경에서 약간의 측정 오류나 잡음이 있는 경우에도 맥박수를 정확하게 찾아낼 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥박 추정방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PPG 신호를 측정하여 맥박을 추정하는 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PPG 신호를 측정하여 맥박을 추정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대해 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 맥박 추정방법을 나타내는 도면이다.

사용자의 지속적인 실시간 맥박 추정을 위해서는 사용자의 생체신호의 지속적인 측정을 실시하며, 이를 변환하여 맥박을 실시간으로 추정하는 기술이 필요하다. 이러한 실시간 맥박 추정을 실시하는 장치에서는 사용자의 움직임 또는 측정 장소에 따라 변화하는 주변 환경에 의하여 사용자의 생체 신호에 잡음이 발생하게 되며, 이를 제거하기 위한 기술이 필요하다. 상기 잡음을 제거하기 위하여 종래 기술에서 다양한 방법을 이용하고 있으나, 대부분의 잡음을 제거하는 방법은 복잡한 계산식 또는 과정을 필요로 한다.

즉, 사용자의 간단한 맥박 측정을 위해서는 복잡한 구성을 요구하게 되며, 이러한 문제를 해결하기 위해서 본 발명은 PPG 신호를 주파수로 변환하고 일정 구간에서 PPG 신호를 비교하여 맥박을 추정함으로써, 간단한 구조로 약간의 측정 오류 또는 잡음이 있더라도 맥박을 정확하게 추정할 수 있게 한다.

본 발명의 실시예에 따라 생체 신호 측정 장치는 복수의 부위에서 생체 신호를 측정하고, 측정된 생체 신호에서 잡음을 제거하한 생체 신호를 주파수로 변환하고, 변환된 생체신호를 일정 주기로 잘라 상호 비교를 통하여 맥박수로 변환한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 손목의 두 지점에서 제1 측정부(110) 및 제2 측정부(120)를 통해 PPG 신호를 측정한다. 제1 측정부(110) 및 제2 측정부(120)는 상호 이격된 위치에서 사용자 손목의 PPG를 측정한다. 제1 측정부(110)에서 측정된 PPG와 제2 측정부(120)에서 측정된 PPG는 측정값 및 노이즈가 상이할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 PPG를 이용한 맥박수 추정방법에서는 복수의 지점에서 측정한 PPG 신호에 각각 푸리에 변환을 실시하고, 스펙트럼을 합산하여 피크값을 추출한다. 이에 대해서는 도 2 및 도 3을 통해 후술한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 PPG 신호를 측정하여 맥박을 추정하는 장치의 구성도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 PPG 신호를 측정하여 맥박을 추정하는 장치는 복수의 지점에서 PPG 신호를 측정하는 측정부(100), 상기 PPG 신호를 푸리에 변환하여 스펙트럼으로 변환하는 푸리에 변환부(Fast Fourier Transform)(200), 상기 푸리에 변환부(200)에서 변환된 복수의 스펙트럼 신호를 합산하는 스펙트럼 합산부(300), 합산된 스펙트럼에 대해 피크값을 추출하는 피크값 추출부(400), 추출된 피크값과 이전에 추정된 맥박 주파수 값의 평균값(P-mean)과 비교하여 가장 가까운 주파수 값을 맥박수로 선택하여 맥박수를 추정하는 피크값 선택부(500) 및 맥박수를 표시하는 디스플레이(600)를 포함할 수 있다.

스펙트럼 합산부(300)는 푸리에 변환부(200)에서 변환된 복수의 스펙트럼 신호를 합산하는 것으로 동일한 구간에서라도 측정지점에 따라 노이즈가 상이하게 측정될 수 있다. 즉, 제1 측정위치에서의 노이즈와 제2 측정위치에서의 노이즈는 상이할 수 있다. 이러한 노이즈는 본래 사용자의 PPG에 해당하는 주파수 측정값 이상일 수 있으며, 이 경우 노이즈를 주파수 측정값으로 선택하게 되어 신뢰성이 저하될 수 있다.

그러나, 발명의 실시예에서와 같이 이들 스펙트럼을 합산하면 주파수 측정값은 대체로 동일하기 때문에 동일한 구간에서 거의 두배가 되고, 노이즈는 각 지점에서 상이하기 때문에 합산된 스펙트럼에 대해 최대값을 갖는 주파수 측정값을 이용하여 맥박을 추정하게 된다. 이에 따라 각 구간에서 본래 맥박을 나타내는 주파수 측정값 중에서 주파수 값을 취사 선택할 수 있게 된다.

피크값 추출부(400)는 동적잡음이 억제된 스펙트럼을 이용하여 첨두치들을 추출한다. 추출된 첨두치들의 주파수 값들을 P라고 할 때 P는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

P={f₁, f₂, f₃, ..., f_n}, n=1,2,3..., N (N은 측정된 주파수의 개수)

피크값 선택부(500)는 상기 주파수 값들 중에서 맥박수로 추정하는데 사용되는 피크값의 주파수를 선택한다.

이전에 추정된 맥박 주파수 값의 평균값(P-mean)과 비교하여 가장 가까운 주파수 값을 맥박수로 추정한다. 이를 수학식으로 나타내면 하기와 같다.

또한, 이전에 추정된 맥박수를 활용할 수 없을 경우 첨두치들 중 가장 큰 첨두치의 주파수 값을 맥박수로 결정한다.

디스플레이(600)는 LCD 등의 화면을 통하여 사용자에게 맥박수 및 신체 정보를 알려주는 역할을 할 수 있으며, 스피커를 통한 음성안내를 통한 정보 전달 방법도 사용할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 PPG 신호를 측정하여 맥박을 추정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.

처음으로, 사용자의 신체에 복수의 측정기를 통해 복수의 지점에서 PPG 신호를 추출(S100)한다. 상기 복수의 지점은 서로 수 cm 간격으로 이격될 수 있다. 다음으로, 각각의 추출 신호는 FFT을 통하여 스펙트럼으로 각각 변환된다(S200).

다음으로, 변환된 복수의 스펙트럼을 합산한다(S300). 상기 과정을 통해 노이즈가 억제된 스펙트럼을 추출할 수 있다.

다음으로, 합산된 스펙트럼에 대해 첨두치를 추출한다(S400). 상기 과정에서 추출되는 첨두치는 복수일 수 있으며, N개의 자연수이다.

다음으로, 이전 구간에서 추정된 맥박 주파수 값의 평균값(P-mean)과 비교하여 S400에서 추출된 첨두치과, 이전 구간에서 추정된 맥박 주파수 값의 평균값을 비교하여 가장 가까운 주파수 값을 선택하고(S500), 이를 맥박수로 추정한다(S600).

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.

따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 측정부
200: 푸리에 변환부
300: 스펙트럼 합산부
400: 피크값 추출부
500: 피크값 선택부
600: 디스플레이

Claims

상호 이격된 복수의 지점에서 각각 Photoplethysmography(PPG) 신호를 측정하는 측정부;
상기 복수의 지점에서 각각 측정한 PPG 신호를 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용하여 스펙트럼으로 각각 변환하는 푸리에 변환부;
상기 변환된 각 스펙트럼을 합산하는 스펙트럼 합산부;
상기 합산된 스펙트럼의 피크값들 중 그 크기가 증폭된 복수의 피크값을 검출하는 피크값 검출부; 및
상기 검출된 복수의 피크값과 이전 구간의 맥박 주파수 값의 평균값을 비교하여 상기 평균값과 가장 인접한 주파수 값을 피크값으로 선택하고, 상기 선택된 주파수 값을 맥박수로 추정하는 피크값 선택부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PPG를 이용한 맥박수 추정 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 추정된 맥박수를 표시하는 디스플레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PPG를 이용한 맥박수 추정 장치.
제1항에 있어서,
상기 피크값 선택부는 이전에 추정된 맥박수를 활용할 수 없을 경우 첨두치들 중 가장 큰 첨두치의 주파수 값을 맥박수로 결정하는 것을 특징으로 하는 PPG를 이용한 맥박수 추정 장치.
상호 이격된 복수의 지점에서 각각 PPG 신호를 추출하는 단계;
상기 복수의 지점에서 각각 측정한 PPG 신호를 FFT을 통하여 스펙트럼으로 각각 변환하는 단계;
상기 변환된 각 스펙트럼을 합산하는 단계;
상기 합산된 스펙트럼의 피크값들 중 그 크기가 증폭된 복수의 피크값을 검출하여 첨두치를 추출하는 단계; 및
이전 구간에서 추정된 맥박 주파수 값의 평균값과 비교하여 가장 가까운 주파수 값을 선택하여 맥박수로 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PPG를 이용한 맥박수 추정방법.
삭제
제5항에 있어서,
상기 맥박수 추정 단계에 있어서,
이전에 추정된 맥박 주파수 값의 평균값을 활용할 수 없을 경우 상기 첨두치들 중 가장 큰 첨두치의 주파수 값을 맥박수로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 PPG를 이용한 맥박수 추정방법.