KR102214686B1 - Method and apparatus for accurately and consistently estimating a heart rate based on a finite state machine - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 방법 및 이를 위한 장치를 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 장치는, 유한 상태 머신을 기반으로 심박수를 추정하여 심박수 추정 오류율을 감소시키고, 정확하고 일관된 심박수를 제공할 수 있다. The present invention discloses a method and apparatus for estimating an accurate and consistent heart rate based on a finite state machine. An apparatus for estimating an accurate and consistent heart rate based on a finite state machine according to an aspect of the present invention may reduce a heart rate estimation error rate by estimating a heart rate based on a finite state machine, and provide an accurate and consistent heart rate.

Description

유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 방법 및 이를 위한 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ACCURATELY AND CONSISTENTLY ESTIMATING A HEART RATE BASED ON A FINITE STATE MACHINE}A method for estimating an accurate and consistent heart rate based on a finite state machine, and an apparatus for the same {METHOD AND APPARATUS FOR ACCURATELY AND CONSISTENTLY ESTIMATING A HEART RATE BASED ON A FINITE STATE MACHINE}

본 발명은 유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유한 상태 머신(FSM)을 적용하여 정확한 심박수 결과를 제공하는 유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for estimating an accurate and consistent heart rate based on a finite state machine, and more particularly, to a finite state machine that provides accurate heart rate results by applying a finite state machine (FSM). It relates to a method and apparatus for estimating an accurate and consistent heart rate.

심박수는 인체 건강정보 중 가장 기본이 되는 정보로서, 최근의 건강에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있는 상황에서 심박수 모니터링을 통해 신체 변화를 모니터링할 수 있다. 이때, 웨어러블 장치는 생체 신호를 언제 어디서나 측정할 수 있는 기능을 갖춘 가정용 의료기기를 위한 새롭고 잠재적인 도구이다. 이러한 웨어러블 장치는 시계 또는 밴드 유형의 형태로 제공될 수 있으며, 손목에 단순히 착용할 수 있는 반사형 PPG(PhotoPlethysmoGraphy) 센서가 대표적이다. 이처럼, 웨어러블 장치와 같은 착용형 의료기기를 이용하여 심박수를 측정하는 경우, 정확도는 가장 중요한 문제 중 하나이다. 하지만, 일반적인 착용형 의료기기는 정확한 심박수 측정을 제공하지만, 휴식, 걷기 및 저강도 운동의 특정 조건으로만 제한된다. 또한, 반사형 PPG 센서를 채택하는 착용형 의료기기는 피부, 근육 및 지방의 체적이 크고 동맥혈의 비교적 작은 박동 성분으로 인해 발생하는 낮은 신호 대 잡음비(SNR)로 인해 제한이 될 수 있으며, PPG 신호는 다양한 모션 아티팩트(motion artifact : MA)의 영향을 받아 손상되어 심박수 측정 결과가 부정확해지는 문제점이 발생한다.The heart rate is the most basic information among human health information, and changes in the body can be monitored through heart rate monitoring in a situation where interest in recent health is continuously increasing. At this time, the wearable device is a new and potential tool for home medical devices with a function that can measure vital signs anytime, anywhere. Such a wearable device may be provided in the form of a watch or a band, and a reflective PPG (PhotoPlethysmoGraphy) sensor that can be simply worn on a wrist is representative. As described above, when measuring heart rate using a wearable medical device such as a wearable device, accuracy is one of the most important issues. However, while typical wearable medical devices provide accurate heart rate measurements, they are limited only to certain conditions of rest, walking and low-intensity exercise. In addition, wearable medical devices employing reflective PPG sensors may be limited due to the low signal-to-noise ratio (SNR) caused by the large volume of skin, muscle, and fat and relatively small pulsating components of arterial blood. Is damaged under the influence of various motion artifacts (MA), resulting in inaccurate heart rate measurement results.

한국등록특허 제10-1850803호(2018.04.20 공고)Korean Patent Registration No. 10-1850803 (announced on April 20, 2018)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 유한 상태 머신을 기반으로 심박수를 추정하여 심박수 추정 오류율을 감소시키고, 정확하고 일관된 심박수를 제공하는 유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 방법 및 이를 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been proposed to solve the above problems, and reduces the heart rate estimation error rate by estimating the heart rate based on a finite state machine, and provides an accurate and consistent heart rate based on a finite state machine that provides an accurate and consistent heart rate. An object of the present invention is to provide an estimation method and an apparatus therefor.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.Other objects and advantages of the present invention can be understood by the following description, and will be more clearly understood by an embodiment of the present invention. In addition, it will be easily understood that the objects and advantages of the present invention can be realized by the means shown in the claims and combinations thereof.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 장치는, 반사형 광혈류측정기 센서에 의해 측정된 2채널 광혈류측정기 신호, 3축 가속도 신호 및 1채널 심전도 신호를 획득하는 신호 획득부; 상기 신호 획득부에서 획득한 2채널 광혈류측정기 신호 및 3축 가속도 신호를 버터워스 대역 통과 필터(Butterworth BPF)를 사용하여 신호를 필터링하는 신호 필터링부; 상기 필터링된 신호 중 2채널 광혈류측정기 신호는 단위 분산을 갖는 제로 평균으로 정규화하고 평균과 표준 편차를 이용하여 평균화하는 신호 정규화부; 상기 정규화되고 평균화된 광혈류측정기 신호 및 3축 가속도 신호를 25헤르츠(Hz)로 다운 샘플링하는 신호 다운 샘플링부; 상기 다운 샘플링된 가속도 신호를 이용하여 2채널 광혈류측정기 신호에서 모션 아티팩트를 제거하는 모션 아티팩트 제거부; 및 상기 모션 아티팩트가 제거된 신호를 유한 상태 머신(FSM)을 이용하여 특정 조건에 따라 상태 천이(state transition)를 발생시키고, 상태(state)가 안정 상태(stable state)인 경우의 심박수 만을 사용자에게 제공하는 심박수 정보 제공부;를 포함한다. An apparatus for estimating an accurate and consistent heart rate based on a finite state machine according to an aspect of the present invention for achieving the above object includes a 2-channel optical blood flow analyzer signal measured by a reflective optical blood flow analyzer sensor, a 3-axis A signal acquisition unit acquiring an acceleration signal and a 1-channel ECG signal; A signal filtering unit for filtering the two-channel optical blood flow meter signal and the three-axis acceleration signal obtained by the signal acquisition unit using a Butterworth BPF; A signal normalizing unit for normalizing a two-channel optical blood flow meter signal among the filtered signals to a zero average having a unit variance and averaging using an average and a standard deviation; A signal down-sampling unit for down-sampling the normalized and averaged optical blood flow meter signal and the 3-axis acceleration signal to 25 hertz (Hz); A motion artifact removal unit that removes motion artifacts from a two-channel optical blood flow meter signal using the down-sampled acceleration signal; And generating a state transition according to a specific condition using a finite state machine (FSM) from the signal from which the motion artifact has been removed, and only the heart rate when the state is in a stable state to the user. It includes; heart rate information providing unit to provide.

상기 상태 천이가 발생하는 특정 조건은, 파고율(crest factor)과 연속 창에서 측정된 심박수 변화의 값에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다. The specific condition in which the state transition occurs is determined according to a crest factor and a value of a change in heart rate measured in a continuous window.

상기 모션 아티팩트 제거부는, 위너필터(Wiener filter)를 적용하여 측정 신호 스펙트럼에서 노이즈 신호 스펙트럼을 뺀 값으로 깨끗한 광혈류측정기 신호 스펙트럼을 추정하는 것을 특징으로 한다.The motion artifact removal unit may apply a Wiener filter to estimate a clean optical blood flow analyzer signal spectrum by subtracting a noise signal spectrum from a measurement signal spectrum.

상기 2채널 광혈류측정기 신호는, 녹색 LED를 갖는 두 개의 맥박 산소 측정기에 의해 사용자의 손목으로부터 측정되는 것을 특징으로 한다. The two-channel optical blood flow meter signal is characterized in that it is measured from the user's wrist by two pulse oximeters having green LEDs.

상기 3축 가속도 신호는, 3축 가속도계를 통해 사용자의 손목으로부터 측정되는 것을 특징으로 한다. The 3-axis acceleration signal is characterized by being measured from the user's wrist through a 3-axis accelerometer.

상기 심전도 신호는, 습식 심전도 센서를 사용하여 사용자의 가슴으로부터 측정되는 것을 특징으로 한다. The ECG signal is characterized in that it is measured from the user's chest using a wet ECG sensor.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 장치에서의 심박수를 추정하는 방법은, 반사형 광혈류측정기 센서에 의해 측정된 2채널 광혈류측정기 신호, 3축 가속도 신호 및 1채널 심전도 신호를 획득하는 신호 획득 단계; 상기 신호 획득 단계에서 획득한 2채널 광혈류측정기 신호 및 3축 가속도 신호를 버터워스 대역 통과 필터(Butterworth BPF)를 사용하여 신호를 필터링하는 신호 필터링 단계; 상기 필터링된 신호 중 2채널 광혈류측정기 신호는 단위 분산을 갖는 제로 평균으로 정규화하고 평균과 표준 편차를 이용하여 평균화하는 신호 정규화 단계; 상기 정규화되고 평균화된 광혈류측정기 신호 및 3축 가속도 신호를 25헤르츠(Hz)로 다운 샘플링하는 신호 다운 샘플링 단계; 상기 다운 샘플링된 가속도 신호를 이용하여 2채널 광혈류측정기 신호에서 모션 아티팩트를 제거하는 모션 아티팩트 제거 단계; 및 상기 모션 아티팩트가 제거된 신호를 유한 상태 머신(FSM)을 이용하여 특정 조건에 따라 상태 천이(state transition)를 발생시키고, 상태(state)가 안정 상태(stable state)인 경우의 심박수 만을 사용자에게 제공하는 심박수 정보 제공 단계;를 포함한다. A method for estimating heart rate in a device for estimating an accurate and consistent heart rate based on a finite state machine according to another aspect of the present invention for achieving the above object is, a two-channel measurement by a reflective optical blood flow meter sensor. A signal acquisition step of acquiring an optical blood flow meter signal, a 3-axis acceleration signal, and a 1-channel ECG signal; A signal filtering step of filtering the two-channel optical blood flow meter signal and the three-axis acceleration signal obtained in the signal acquisition step by using a Butterworth BPF; A signal normalization step of normalizing a two-channel optical blood flow meter signal among the filtered signals to a zero average having a unit variance and averaging using the average and standard deviation; A signal down-sampling step of down-sampling the normalized and averaged optical blood flow meter signal and 3-axis acceleration signal to 25 hertz (Hz); A motion artifact removal step of removing motion artifacts from a two-channel optical blood flow meter signal using the down-sampled acceleration signal; And generating a state transition according to a specific condition using a finite state machine (FSM) from the signal from which the motion artifact has been removed, and only the heart rate when the state is in a stable state to the user. It includes; providing heart rate information providing step.

상기 상태 천이가 발생하는 특정 조건은, 파고율(crest factor)과 연속 창에서 측정된 심박수 변화의 값에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.The specific condition in which the state transition occurs is determined according to a crest factor and a value of a change in heart rate measured in a continuous window.

상기 모션 아티팩트 제거 단계는, 위너필터(Wiener filter)를 적용하여 측정 신호 스펙트럼에서 노이즈 신호 스펙트럼을 뺀 값으로 깨끗한 광혈류측정기 신호 스펙트럼을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The motion artifact removal step may include estimating a clean optical blood flow analyzer signal spectrum using a value obtained by subtracting a noise signal spectrum from a measurement signal spectrum by applying a Wiener filter.

본 발명의 일 측면에 따르면, 심박수 추정 오류율을 현저하게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.According to an aspect of the present invention, there is an effect of remarkably reducing the heart rate estimation error rate.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the following description. .

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용들과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박수를 추정하는 장치의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유한 상태 머신 기반의 상태 천이에 대해 개략적으로 설명한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박수를 추정하는 방법의 흐름을 도시한 도면이다.
The following drawings attached to the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention along with specific details for carrying out the present invention. It should not be interpreted as being limited to the information described.
1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for estimating heart rate according to an embodiment of the present invention;
2 is a diagram schematically illustrating a state transition based on a finite state machine according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram illustrating a flow of a method for estimating a heart rate according to an embodiment of the present invention.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.The above-described objects, features, and advantages will become more apparent through the following detailed description in connection with the accompanying drawings, whereby those of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains can easily implement the technical idea of the present invention. There will be. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “…부” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a certain part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated. In addition, “… A term such as “sub” means a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software, or a combination of hardware and software.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박수를 추정하는 장치의 개략적인 구성도이다. 1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for estimating heart rate according to an embodiment of the present invention.

본 실시예를 설명함에 있어서, 손목형 반사 PPG(PhotoPlethysmoGraphy : 광혈류측정기) 신호를 사용하여 운동시 심박수를 모니터링할 수 있다. In describing the present embodiment, the heart rate during exercise may be monitored by using a wrist-type reflective PPG (PhotoPlethysmoGraphy) signal.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 심박수를 추정하는 장치는, 신호 획득부(110), 신호 필터링부(120), 신호 정규화부(130), 신호 다운 샘플링부(140), 모션 아티팩트 제거부(150) 및 심박수 정보 제공부(160)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the apparatus for estimating heart rate according to the present embodiment includes a signal acquisition unit 110, a signal filtering unit 120, a signal normalization unit 130, a signal downsampling unit 140, and a motion artifact generator. It includes a rejection 150 and a heart rate information providing unit 160.

신호 획득부(110)는 반사형 광혈류측정기 센서에 의해 측정된 2채널 광혈류측정기 신호, 3축 가속도 신호 및 1채널 심전도 신호를 획득한다. 이때, 2채널 광혈류측정기 신호는, 녹색 LED를 갖는 두 개의 맥박 산소 측정기에 의해 사용자의 손목으로부터 측정될 수 있다. 녹색 LED는 515nm의 파장을 가지며, 3축 가속도 신호는 3축 가속도계를 통해 사용자의 손목으로부터 측정될 수 있다. 여기서, 맥박 산소 측정기 및 3축 가속도계(x, y 및 z축)는 사용자의 손목에 착용되는 웨어러블 장치와 같은 착용형 의료기기에 포함되는 센서일 수 있다. 이에 따라, 사용자는 웨어러블 장치와 같은 착용형 의료기기를 손목에 착용하여 센서를 통해 신호를 측정할 수 있다. 또한, 심전도 신호는 습식 심전도 센서를 사용하여 사용자의 가슴으로부터 측정될 수 있다. 한편, 획득된 모든 신호는 125Hz에서 샘플링될 수 있으며, 블루투스와 같은 무선통신을 통해 서버(미도시)로 전송될 수 있다. The signal acquisition unit 110 acquires a 2-channel optical blood flow analyzer signal, a 3-axis acceleration signal, and a 1-channel ECG signal measured by a reflective optical blood flow analyzer sensor. At this time, the two-channel optical blood flow meter signal can be measured from the user's wrist by two pulse oximeters having green LEDs. The green LED has a wavelength of 515nm, and the 3-axis acceleration signal can be measured from the user's wrist through a 3-axis accelerometer. Here, the pulse oximeter and the 3-axis accelerometer (x, y, and z axes) may be sensors included in wearable medical devices such as a wearable device worn on a user's wrist. Accordingly, the user may wear a wearable medical device such as a wearable device on the wrist and measure a signal through the sensor. In addition, the ECG signal may be measured from the user's chest using a wet ECG sensor. Meanwhile, all of the acquired signals may be sampled at 125 Hz and may be transmitted to a server (not shown) through wireless communication such as Bluetooth.

신호 필터링부(120)는 신호 획득부(110)에서 획득한 2채널 광혈류측정기 신호 및 3축 가속도 신호를 버터워스 대역 통과 필터(Butterworth BPF)를 사용하여 신호를 필터링한다. 예를 들어, i 번째 윈도우에서 두 개의 PPG 신호 S1(i), S2(i)와 세 개의 가속도 신호 Ax(i), Ay(i), Az(i)를 사용하여, 0.4Hz와 4Hz의 컷오프 주파수를 갖는 4차 버터워스(Butterworth) 대역 통과 필터(BPF)로 5개의 신호를 필터링할 수 있다. The signal filtering unit 120 filters the two-channel optical blood flow meter signal and the three-axis acceleration signal acquired by the signal acquisition unit 110 using a Butterworth BPF. For example, using two PPG signals S1(i), S2(i) and three acceleration signals Ax(i), Ay(i), Az(i) in the i-th window, cutoffs of 0.4 Hz and 4 Hz Five signals can be filtered with a fourth-order Butterworth band pass filter (BPF) having a frequency.

신호 정규화부(130)는 필터링된 신호 중 2채널 광혈류측정기 신호는 단위 분산을 갖는 제로 평균으로 정규화하고 평균과 표준 편차를 이용하여 평균화할 수 있다. 다시 말해, 신호 필터링 후, 단위 분산을 갖는 제로 평균으로 S1(i) 및 S2(i)를 정규화하고, 신호를 아래의 수학식 1로 평균화할 수 있다.The signal normalization unit 130 normalizes the two-channel optical blood flow meter signal among the filtered signals to a zero average having a unit variance, and averages them using the average and standard deviation. In other words, after signal filtering, S1(i) and S2(i) may be normalized with a zero average having a unit variance, and the signal may be averaged by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018130983412-pat00001
Figure 112018130983412-pat00001

여기서,

Figure 112018130983412-pat00002
Figure 112018130983412-pat00003
는 평균과 표준 편차 연산자이다. here,
Figure 112018130983412-pat00002
Wow
Figure 112018130983412-pat00003
Is the mean and standard deviation operator.

신호 다운 샘플링부(140)는 정규화되고 평균화된 광혈류측정기 신호 및 3축 가속도 신호를 다운 샘플링할 수 있다. 다시 말해, 정규화(표준화)되고 평균화된 PPG 신호 및 Ax(i), Ay(i) 및 Az(i)는 25Hz로 다운 샘플링될 수 있다.The signal down-sampling unit 140 may down-sample the normalized and averaged optical blood flow meter signal and the 3-axis acceleration signal. In other words, the normalized (normalized) and averaged PPG signal and Ax(i), Ay(i) and Az(i) can be downsampled to 25 Hz.

모션 아티팩트 제거부(150)는 다운 샘플링된 가속도 신호를 이용하여 2채널 광혈류측정기 신호에서 모션 아티팩트를 제거할 수 있다. 본 실시예에서, 모션 아티팩트는 손목 비틀림, 주먹 떨림/펼침과 같이 신호 측정에 방해가 되는 움직임 정보일 수 있다. 가속도 신호를 이용한 PPG의 모션 아티팩트 제거는 심박수 측정 정확도를 크게 높이는 가장 중요한 단계 중 하나일 수 있다. 모션 아티팩트 제거부(150)는 위너필터(Wiener filter)를 적용하여 측정 신호 스펙트럼에서 노이즈 신호 스펙트럼을 뺀 값으로 깨끗한 광혈류측정기 신호 스펙트럼을 추정할 수 있다. 위너필터는 가속도 신호로부터 잡음 신호가 있는 모션 아티팩트에 의해 손상된 PPG 신호에서 선형 시간 불변 필터링(linear time-invariant filtering)을 통해 모션 아티팩트가 없는 깨끗한 신호 스펙트럼을 추정한다. The motion artifact removal unit 150 may remove motion artifacts from the two-channel optical blood flow meter signal by using the down-sampled acceleration signal. In the present embodiment, the motion artifact may be motion information that interferes with signal measurement, such as wrist twist and fist trembling/unfolding. The removal of motion artifacts of the PPG using an acceleration signal may be one of the most important steps to greatly increase the accuracy of heart rate measurement. The motion artifact removal unit 150 may estimate a clean optical blood flow analyzer signal spectrum by subtracting the noise signal spectrum from the measurement signal spectrum by applying a Wiener filter. The Wiener filter estimates a clean signal spectrum without motion artifacts through linear time-invariant filtering on the PPG signal damaged by motion artifacts with noise signals from the acceleration signal.

심박수 정보 제공부(160)는 모션 아티팩트가 제거된 신호를 유한 상태 머신(FSM)을 이용하여 특정 조건에 따라 상태 천이(state transition)를 발생시키고, 상태(state)가 안정 상태(stable state)인 경우의 심박수 만을 사용자에게 제공할 수 있다. 이때, 상태 천이가 발생하는 특정 조건은, 파고율(crest factor)과 연속 창에서 측정된 심박수 변화의 값에 따라 결정될 수 있다. 파고율(crest factor)은 고속 푸리에 변환을 사용하여 최대 전력에 해당하는 최대 피크 및 주파수를 찾음으로써 구할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 심박수 정보 제공부(160)는 최대 전력에 해당하는 주파수를 찾기 위해 0.6Hz~3.3Hz(약 40bpm~200bpm)의 범위에서 2048 포인트의 고속 푸리에 변환(FFT)를 사용했으며, 휴식 상태와 집중적인 활동에서 모든 연령대의 최소 및 최대 심박수를 추정할 수 있다. 한편, 각 창에서 추정된 심박수를 사용하여 아래의 수학식 2와 같은 절대 오류(Absolute Error : AE)로 성능 정확도를 평가할 수 있다. The heart rate information providing unit 160 generates a state transition according to a specific condition using a finite state machine (FSM) on the signal from which the motion artifact has been removed, and the state is a stable state. Only the heart rate of the case can be provided to the user. In this case, a specific condition in which the state transition occurs may be determined according to a crest factor and a value of a change in heart rate measured in a continuous window. The crest factor can be obtained by using a fast Fourier transform to find the maximum peak and frequency corresponding to the maximum power. According to the present embodiment, the heart rate information providing unit 160 used a fast Fourier transform (FFT) of 2048 points in a range of 0.6 Hz to 3.3 Hz (about 40 bpm to 200 bpm) to find a frequency corresponding to the maximum power, You can estimate the minimum and maximum heart rates for all ages in rest and intensive activity. On the other hand, using the estimated heart rate in each window, it is possible to evaluate the performance accuracy with an absolute error (AE) as shown in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112018130983412-pat00004
Figure 112018130983412-pat00004

여기서,

Figure 112018130983412-pat00005
Figure 112018130983412-pat00006
는 i번째 창에서 측정된 실제 심박수(bpm)일 수 있다. 전체 평가를 위해 아래의 수학식 3, 4, 5와 같이 bpm으로 절대 오류의 평균(AAE)을, bpm으로 절대 오류의 표준 편차(SdAE)를, 퍼센트(%)로 상대 절대 오류(ARE)의 평균을 사용할 수 있다. here,
Figure 112018130983412-pat00005
and
Figure 112018130983412-pat00006
May be the actual heart rate (bpm) measured in the i-th window. For the overall evaluation, as shown in Equations 3, 4, and 5 below, bpm is the mean of absolute error (AAE), bpm is the standard deviation of absolute error (SdAE), and percentage (%) is the relative absolute error (ARE). Average can be used.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112018130983412-pat00007
Figure 112018130983412-pat00007

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112018130983412-pat00008
Figure 112018130983412-pat00008

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112018130983412-pat00009
Figure 112018130983412-pat00009

여기서, N은 심박수 측정에 고려되는 창의 총 수일 수 있다. Here, N may be the total number of windows considered for heart rate measurement.

본 실시예를 설명함에 있어서, 유한 상태 머신(FSM)은 계산의 수학적 모델이자 추상적 기계(주어진 시간에 유한 상태수의 한 상태에 머물러 있는)이다. 유한 상태 머신은 하드웨어 디지털 시스템, 소프트웨어 엔지니어링 및 전기 엔지니어링 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 유한 상태 머신은 외부 입력에 응답하여 하나의 상태에서 다른 상태로 이동한다. 한편, 반사형 광혈류측정기 신호를 착용형 의료기기에 사용하기 위해서, 측정된 심박수는 정확하고 일관성이 있어야 한다. 여기서, '일관성”은 측정된 심박수가 일관되게 정확해야 한다는 것을 의미할 수 있다. 파고율(crest factor)은 피크값의 유효값에 대한 비율을 나타내는 신호의 측정값으로, 피크 신호가 얼마나 극단적으로 나타나는지를 나타낸다. 보다 자세하게, 파고율(crest factor)은 아래의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다. In describing this embodiment, the finite state machine (FSM) is a mathematical model of computation and an abstract machine (which stays in one state of a finite state number at a given time). Finite state machines can be applied in various fields such as hardware digital systems, software engineering and electrical engineering. The finite state machine moves from one state to another in response to external inputs. On the other hand, in order to use the reflective optical blood flow meter signal in a wearable medical device, the measured heart rate must be accurate and consistent. Here, "consistency" may mean that the measured heart rate must be consistently accurate. The crest factor is a measurement value of a signal indicating the ratio of the peak value to the effective value, and indicates how extreme the peak signal appears. In more detail, the crest factor can be expressed as Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112018130983412-pat00010
Figure 112018130983412-pat00010

여기서,

Figure 112018130983412-pat00011
Figure 112018130983412-pat00012
는 각각 원근 평균 제곱값(root mean squared value)과 주기도의 피크값이다. 가속도 신호를 사용하여 PPG에서 모션 아티팩트를 제거한 후, 주기도를 얻은 이후 가장 많은 결과를 얻은 주기도는 실제 심박수에 해당하는 지배적인 피크(dominant peak)를 갖는다. 지배적인 피크 주파수가 다른 주파수 피크 전력보다 훨씬 높은 전력을 갖는다면, 신호는 모션 아티팩트에 의해 덜 손상된 것으로 간주할 수 있다. 즉, 파고율(crest factor) 값이 크다면, 심박수에 대한 신뢰도가 높다고 판단할 수 있다.here,
Figure 112018130983412-pat00011
Wow
Figure 112018130983412-pat00012
Is the root mean squared value and the peak value of the periodogram, respectively. After removing motion artifacts from the PPG using an acceleration signal, the periodogram that obtained the most results after obtaining the periodogram has a dominant peak corresponding to the actual heart rate. If the dominant peak frequency has a much higher power than the other frequency peak power, the signal can be considered less damaged by motion artifacts. That is, if the crest factor value is large, it may be determined that the reliability of the heart rate is high.

한편, 본 실시예에 따르면, 유한 상태 머신(FSM)에서 천이(transition)되는 상태(state)는 아래와 같이 정의될 수 있다. 유한 상태 머신에 대한 4 가지 상태는, 안정 상태(stable state), 복구 상태(recovery state), 경고 상태(alert state) 및 불확실 상태(uncertain state)일 수 있다. 안정 상태는 주어진 시간에 심박수 추정 결과가 높은 신뢰도를 가짐을 나타낸다. 따라서, 본 발명에서는 측정된 심박수(

Figure 112018130983412-pat00013
)는 유효하다고 할 수 있다. 복구 상태는 심박수 추정 결과가 주어진 시간에 중간 정도의 신뢰도를 가지고 있으며, 안정 상태로 이동할 수 있는지 여부를 조사할 수 있다. 경고 상태는 주어진 시간에 심박수 추정 결과가 낮은 신뢰도를 가짐을 나타낸다. 불확실 상태는 심박수 추정 결과가 매우 낮은 신뢰도를 가짐을 나타낸다. 본 발명에서, 상태 천이는 파고율과 심박수 변화를 외부 입력으로 결정한다. 한편, 본 실시예에 따른 유한 상태 머신 기반의 상태 천이에 대해 도 2에 개시되어 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유한 상태 머신 기반의 상태 천이에 대해 개략적으로 설명한 도면이다. 도 2를 참조하면, 매 2초마다 심박수(
Figure 112018130983412-pat00014
)가 측정된다(따라서, i=2, 4, … i(측정 지속 시간 i초)). 처음(i=2)에 유한 상태 머신은 안정된 상태를 유지하고,
Figure 112018130983412-pat00015
는 전처리 단계(신호 필터링, 신호 정규화 및 신호 다운 샘플링), 위너 필터를 사용한 모션 아티팩트 제거 및 0.6~3.3Hz 사이의 범위에서 주기도(periodogram)로부터 주요 피크 선택에 의해 얻어진다. 다음 측정(i=4, 6, … i)에서 유한 상태 머신은 이전 상태를 기반으로 각기 다른 데이터 처리 흐름을 수행한다. 시간 i에서, 시간 i-2에서의 이전 상태가 안정 상태에 있다면, 파고율 및 심박수 변화의 두 조건이 체크될 수 있다. 이는 아래의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.Meanwhile, according to the present embodiment, a state that is transitioned in the finite state machine FSM may be defined as follows. The four states for a finite state machine can be a stable state, a recovery state, an alert state, and an uncertain state. The steady state indicates that the heart rate estimation result at a given time has high reliability. Therefore, in the present invention, the measured heart rate (
Figure 112018130983412-pat00013
) Can be said to be valid. In the recovery state, it is possible to investigate whether the heart rate estimation result has intermediate reliability at a given time and can move to a stable state. A warning state indicates that the heart rate estimation result at a given time has low confidence. The uncertain state indicates that the heart rate estimation result has very low reliability. In the present invention, the state transition determines the crest rate and heart rate changes as external inputs. Meanwhile, a state transition based on a finite state machine according to the present embodiment is disclosed in FIG. 2. 2 is a diagram schematically illustrating a state transition based on a finite state machine according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 2, the heart rate every 2 seconds (
Figure 112018130983412-pat00014
) Is measured (hence, i=2, 4,… i (measurement duration i seconds)). Initially (i=2) the finite state machine remains stable,
Figure 112018130983412-pat00015
Is obtained by preprocessing steps (signal filtering, signal normalization and signal downsampling), motion artifact removal using a Wiener filter, and selection of major peaks from a periodogram in the range of 0.6 to 3.3 Hz. In the next measurement (i=4, 6,… i), the finite state machine performs different data processing flows based on the previous state. At time i, if the previous state at time i-2 is in a stable state, then two conditions can be checked: crest rate and heart rate change. This can be expressed as Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112018130983412-pat00016
Figure 112018130983412-pat00016

여기서,

Figure 112018130983412-pat00017
는 파고율에 대한 임계값이다. 첫번째 용어는 파고율 조건이고, 두번째 용어는 심박수 변경 조건이다. 만약, 두 조건이 만족되면, 시점 i에서의 상태는 안정 상태로 유지되고,
Figure 112018130983412-pat00018
는 유효하다고 선언될 수 있다. 그렇지 않으면, 시간 i의 상태는 경고 상태로 천이하고,
Figure 112018130983412-pat00019
는 무효라고 선언할 수 있다. 시간 i-2에서의 이전 상태가 경고 상태에 있다면, 파고율 조건
Figure 112018130983412-pat00020
만 체크된다.
Figure 112018130983412-pat00021
가 무효로 선언되었기 때문에 심박수 변경 조건
Figure 112018130983412-pat00022
을 고려하지 않는다. 만약,
Figure 112018130983412-pat00023
조건이 만족되면, 상태는 시간 i에서 복구 상태로 천이한다. 그렇지 않으면, 상태는 경고 상태로 유지된다. 또한, 시간 i-2의 이전 상태가 경고 상태에 있을 때, 경고 대기 시간
Figure 112018130983412-pat00024
에 의해 정의된 일정 시간 동안 상태가 경고 상태에 계속 머물러 있으면, 상태는 불확실 상태로 천이한다. 잠시 동안 경고 상태에서 지속적으로 유지되면, 광혈류측정기 신호가 제대로 측정되지 않고 심박수가 신호에 반영되지 않는다는 것을 나타낸다. 일단, 상태가 불확실 상태로 천이되면, 상태는 불확실한 대기 시간
Figure 112018130983412-pat00025
에 의해 정의되는 또 다른 특정 지속 시간 동안 불확실한 상태로 유지된다.
Figure 112018130983412-pat00026
시간 동안, 파고율 조건
Figure 112018130983412-pat00027
이 지속적으로 충족되면 상태는 경고 상태로 상승한다. 그렇지 않으면, 상태는 불확실한 상태로 유지된다. 시간 i-2의 이전 상태가 복구 상태에 있을 때, 유일한 대기 시간 조건인
Figure 112018130983412-pat00028
도 복구 대기 시간
Figure 112018130983412-pat00029
에 의해 정의된 다른 지속 시간 동안 확인된다.
Figure 112018130983412-pat00030
시간 동안,
Figure 112018130983412-pat00031
조건이 계속적으로 충족되지 않으면, 즉시 상태가 경고 상태로 전환된다.
Figure 112018130983412-pat00032
기간 동안 계속적으로
Figure 112018130983412-pat00033
조건을 만족하면, 세 가지 조건이 확인된다. 이는 아래의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.here,
Figure 112018130983412-pat00017
Is the threshold for the crest factor. The first term is a crest rate condition, and the second term is a heart rate change condition. If both conditions are satisfied, the state at time i remains stable,
Figure 112018130983412-pat00018
May be declared valid. Otherwise, the state of time i transitions to the warning state,
Figure 112018130983412-pat00019
Can be declared invalid. If the previous state at time i-2 is in the warning state, the crest factor condition
Figure 112018130983412-pat00020
Only is checked.
Figure 112018130983412-pat00021
Heart rate change condition because is declared invalid
Figure 112018130983412-pat00022
Do not take into account. if,
Figure 112018130983412-pat00023
If the condition is satisfied, the state transitions from time i to the recovery state. Otherwise, the state remains in the warning state. Also, when the previous state of time i-2 is in the warning state, the warning waiting time
Figure 112018130983412-pat00024
If the state remains in the warning state for a period of time defined by, the state transitions to an uncertain state. If it remains in a warning state for a while, it indicates that the photometer signal is not being properly measured and the heart rate is not reflected in the signal. Once a state transitions to an uncertain state, the state is an uncertain wait time
Figure 112018130983412-pat00025
It remains in an uncertain state for another specific duration defined by.
Figure 112018130983412-pat00026
Over time, crest factor condition
Figure 112018130983412-pat00027
If this is continuously met the state rises to a warning state. Otherwise, the state remains uncertain. When the previous state of time i-2 is in the recovery state, the only waiting time condition
Figure 112018130983412-pat00028
Road recovery waiting time
Figure 112018130983412-pat00029
Is checked for a different duration defined by.
Figure 112018130983412-pat00030
For hours,
Figure 112018130983412-pat00031
If the condition is not continuously met, the state immediately switches to the warning state.
Figure 112018130983412-pat00032
Continuously throughout the period
Figure 112018130983412-pat00033
If the condition is satisfied, three conditions are checked. This can be expressed as Equation 8 below.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112018130983412-pat00034
Figure 112018130983412-pat00034

여기서, 제 1, 2 용어는 수학식 7과 같은 파고율과 심박수 변화 조건이고, 마지막 용어는 현재 시간 i와 안정 상태

Figure 112018130983412-pat00035
의 최근 시간 사이에 심박수가 변화하는지를 확인하기 위한 장기 심박수 변화 조건이다. 수학식 8의 조건을 만족하면, 상태는 안정 상태로 상승하고,
Figure 112018130983412-pat00036
은 유효하다고 선언될 수 있다. 그렇지 않으면, 상태는 복구 상태로 유지되고, 기간
Figure 112018130983412-pat00037
동안 파고율 조건이 반복된다. 모든 측정된 심박수는 안정 상태를 제외하고는 유효하지 않다. 상술한 대기 시간 파라미터
Figure 112018130983412-pat00038
,
Figure 112018130983412-pat00039
Figure 112018130983412-pat00040
는 임의로 조정 가능하다. 이러한 파라미터는 심박수가 광혈류측정기 신호에 반영되는 대기 시간을 제공한다. 본 실시예에서는
Figure 112018130983412-pat00041
=5,
Figure 112018130983412-pat00042
=3,
Figure 112018130983412-pat00043
=4로 설정했다. Here, the first and second terms are the crest rate and heart rate change conditions as in Equation 7, and the last term is the current time i and the steady state
Figure 112018130983412-pat00035
It is a long-term heart rate change condition to determine if the heart rate changes between the last time in When the condition of Equation 8 is satisfied, the state rises to a stable state,
Figure 112018130983412-pat00036
May be declared valid. Otherwise, the state remains in the recovery state, and the period
Figure 112018130983412-pat00037
During the crest factor condition is repeated. All measured heart rates are not valid except at rest. Waiting time parameter described above
Figure 112018130983412-pat00038
,
Figure 112018130983412-pat00039
And
Figure 112018130983412-pat00040
Can be arbitrarily adjusted. These parameters provide the waiting time for the heart rate to be reflected in the photogrammetry signal. In this example
Figure 112018130983412-pat00041
=5,
Figure 112018130983412-pat00042
=3,
Figure 112018130983412-pat00043
I set it to =4.

도 2를 참조하여, 일 예를 들어 설명하면 다음과 같다.Referring to FIG. 2, an example will be described as follows.

최초에 장치는, 유한상태머신(FSM)의 상태가 안정 상태(stable state)라고 가정한 상태에서 동작한다.Initially, the device operates in a state assuming that the state of the finite state machine (FSM) is a stable state.

먼저, 장치는 2초 전에 예측한 심박수와 현재 예측한 심박수의 차이 및 파고율(crest factor)을 미리 설정된 임계값과 비교하여 상태 천이를 결정한다. 여기서, 심박수 차이를 비교하기 위한 임계값은 5bpm, 파고율을 비교하기 위한 임계값은 2.4일 수 있다. 이때, 설정된 임계값은 사용자에 의해 임의로 사전에 미리 설정될 수 있다. 예컨대, 장치는 2초전에 예측한 심박수와 현재 예측한 심박수의 차이가 5bpm 미만이고, 파고율이 2.4를 초과하면 계속해서 안정 상태(stable state)라고 판단한다. First, the device determines a state transition by comparing a difference between a heart rate predicted 2 seconds ago and a current predicted heart rate and a crest factor with a preset threshold. Here, a threshold value for comparing the heart rate difference may be 5 bpm, and a threshold value for comparing the crest factor may be 2.4. In this case, the set threshold may be arbitrarily preset by the user. For example, if the difference between the predicted heart rate two seconds ago and the current predicted heart rate is less than 5 bpm, and the crest rate exceeds 2.4, it is determined that the device is in a stable state.

만약, 장치는 상술한 조건을 만족하지 못하는 경우, 경고 상태(alert state)로 천이 시킨다. 경고 상태(alert state)로 천이되면, 미리 설정한 경고 시간(alert time) 동안은 계속 천이된 상태에 머무른다. 경고 상태(alert state) 이후, 장치는 심박수를 예측하고 만약, 파고율(crest factor)이 임계값(2.4)보다 높으면 복구 상태(recovery state)로 천이 시킨다. 복구 상태(recovery state)로 천이되면, 경고 상태(alert state)와 마찬가지로 미리 설정된 복구 시간(recovery time) 동안 머물게 되며, 파고율(crest factor)이 임계값(2.4)보다 높은지를 지속적으로 확인한다. 만약, 복구 시간(recovery time) 동안 파고율(crest factor) 조건을 만족하지 못하면, 즉시 경고 상태(alert state)로 천이되고 만약, 복구 시간(recovery time) 동안 파고율(crest factor) 조건을 지속적으로 만족(즉, 파고율이 임계값(2.4)를 초과)했다면, 그 다음 2초후에 2초 이전에 예측한 심박수와 현재 예측한 심박수의 차이가 5bpm(임계값)보다 낮고, 파고율(crest factor)이 임계값보다 높으면서, 가장 최근에 안정 상태(stable state)였던 심박수와 현재 심박수의 차이를 구한 후, 이를 통계치의 임계값과 비교하여 낮으면 안정 상태(stable state)로 천이한다. If the device does not satisfy the above-described condition, the device transitions to an alert state. When it transitions to the alert state, it remains in the transitioned state for a preset alert time. After the alert state, the device predicts the heart rate and, if the crest factor is higher than the threshold value (2.4), it transitions to the recovery state. When transitioning to the recovery state, it stays for a preset recovery time as in the alert state, and it is continuously checked whether the crest factor is higher than the threshold value (2.4). If the crest factor condition is not satisfied during the recovery time, it immediately transitions to the alert state, and if the crest factor condition is continuously satisfied during the recovery time ( That is, if the crest rate exceeds the threshold (2.4), the difference between the predicted heart rate 2 seconds before and the current predicted heart rate 2 seconds later is lower than 5 bpm (threshold value), and the crest factor is the threshold value. The difference between the heart rate, which is higher and the most recent stable state, and the current heart rate, is calculated and then compared with the threshold value of the statistic value, and if it is lower, it transitions to a stable state.

반면, 경고 상태(alert state)에서 경고 시간(alert time) 이후, 파고율이 임계값보다 큰 조건을 만족하지 못하면, 불확실 상태(uncertain state)로 천이된다. 장치는, 불확실 상태(uncertain state)가 되면, 불확실 시간(uncertain time) 동안 기다렸다가 기다리는 동안 파고율(crest factor)이 임계값보다 높은 조건을 지속적으로 만족한다면, 경고 상태(alert state)로 천이하고, 중간에 그 조건을 만족하지 못하면, 불확실 시간(uncertain time)은 리셋되고 다시 처음부터 시작한다. On the other hand, after the alert time in the alert state, if the condition where the crest factor is greater than the threshold value is not satisfied, it transitions to an uncertain state. When the device enters an uncertain state, it waits for an uncertain time and, while waiting, transitions to an alert state if the condition where the crest factor is higher than the threshold value is continuously satisfied, and the intermediate If the condition is not satisfied, the uncertain time is reset and starts again from the beginning.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박수를 추정하는 방법의 흐름을 도시한 도면이다.3 is a diagram illustrating a flow of a method for estimating a heart rate according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 먼저, 심박수를 추정하는 장치는 반사형 광혈류측정기 센서에 의해 측정된 2채널 광혈류측정기 신호, 3축 가속도 신호 및 1채널 심전도 신호를 획득한다(S310). Referring to FIG. 3, first, the apparatus for estimating heart rate acquires a two-channel optical blood flow analyzer signal, a 3-axis acceleration signal, and a 1-channel electrocardiogram signal measured by a reflective optical blood flow analyzer sensor (S310).

다음으로 심박수를 추정하는 장치는, 획득한 2채널 광혈류측정기 신호 및 3축 가속도 신호를 버터워스 대역 통과 필터(Butterworth BPF)를 사용하여 신호를 필터링한다(S320). Next, the apparatus for estimating the heart rate filters the obtained two-channel optical blood flow meter signal and the three-axis acceleration signal using a Butterworth band pass filter (Butterworth BPF) (S320).

다음으로 심박수를 추정하는 장치는, 필터링된 신호 중 2채널 광혈류측정기 신호는 단위 분산을 갖는 제로 평균으로 정규화하고 평균과 표준 편차를 이용하여 평균화한다(S330). Next, the apparatus for estimating heart rate normalizes the two-channel optical blood flow meter signal among the filtered signals to a zero average having a unit variance, and averages it using the average and standard deviation (S330).

다음으로 심박수를 추정하는 장치는, 정규화되고 평균화된 광혈류측정기 신호 및 3축 가속도 신호를 25헤르츠(Hz)로 다운 샘플링한다(S340). Next, the apparatus for estimating the heart rate down-samples the normalized and averaged optical blood flow meter signal and the 3-axis acceleration signal to 25 Hertz (Hz) (S340).

다음으로 심박수를 추정하는 장치는, 다운 샘플링된 가속도 신호를 이용하여 2채널 광혈류측정기 신호에서 모션 아티팩트를 제거한다. 심박수를 추정하는 장치는, 위너필터(Wiener filter)를 적용하여 측정 신호 스펙트럼에서 노이즈 신호 스펙트럼을 뺀 값으로 깨끗한 광혈류측정기 신호 스펙트럼을 추정할 수 있다(S350). Next, the apparatus for estimating the heart rate removes motion artifacts from the two-channel optical blood flow meter signal by using the down-sampled acceleration signal. The apparatus for estimating the heart rate may estimate a clean optical blood flow analyzer signal spectrum by subtracting the noise signal spectrum from the measurement signal spectrum by applying a Wiener filter (S350).

다음으로 심박수를 추정하는 장치는, 모션 아티팩트가 제거된 신호를 유한 상태 머신(FSM)을 이용하여 특정 조건에 따라 상태 천이(state transition)를 발생시키고, 상태(state)가 안정 상태(stable state)인 경우의 심박수 만을 사용자에게 제공한다. 이때, 상기 상태 천이가 발생하는 특정 조건은, 파고율(crest factor)과 연속 창에서 측정된 심박수 변화의 값에 따라 결정될 수 있다(S360). Next, the apparatus for estimating the heart rate generates a state transition according to a specific condition using a signal from which motion artifacts have been removed using a finite state machine (FSM), and the state is a stable state. Only the heart rate in the case of is provided to the user. In this case, the specific condition in which the state transition occurs may be determined according to a crest factor and a value of a change in heart rate measured in a continuous window (S360).

본 발명의 실시예에 따른 방법들은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는, 본 발명을 위한 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The methods according to the embodiments of the present invention may be implemented as an application or in the form of program instructions that can be executed through various computer components and recorded in a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded in the computer-readable recording medium may be specially designed and configured for the present invention, and may be known and usable to those skilled in the computer software field. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic-optical media such as floptical disks. media) and hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of the program instructions include not only machine language codes such as those produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform processing according to the present invention, and vice versa.

본 명세서는 많은 특징을 포함하는 반면, 그러한 특징은 본 발명의 범위 또는 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 본 명세서의 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서의 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절히 결합되어 구현될 수 있다.While this specification includes many features, such features should not be construed as limiting the scope or claims of the invention. In addition, features described in separate embodiments of the present specification may be combined and implemented in a single embodiment. Conversely, various features described in a single embodiment of the present specification may be individually implemented in various embodiments, or may be properly combined and implemented.

도면에서 동작들이 특정한 순서로 설명되었으나, 그러한 동작들이 도시된 바와 같은 특정한 순서로 수행되는 것으로 또는 일련의 연속된 순서, 또는 원하는 결과를 얻기 위해 모든 설명된 동작이 수행되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정 환경에서 멀티태스킹 및 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 아울러, 상술한 실시예에서 다양한 시스템 구성요소의 구분은 모든 실시예에서 그러한 구분을 요구하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 상술한 앱 구성요소 및 시스템은 일반적으로 단일 소프트웨어 제품 또는 멀티플 소프트웨어 제품에 패키지로 구현될 수 있다.Although the operations have been described in a specific order in the drawings, it should not be understood that such operations are performed in a specific order as shown, or as a series of consecutive sequences, or that all described operations are performed to obtain a desired result. Multitasking and parallel processing can be advantageous in certain environments. In addition, it should be understood that classification of various system components in the above-described embodiments does not require such classification in all embodiments. The above-described app components and systems may generally be implemented as a package in a single software product or multiple software products.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention for those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs. It is not limited by the drawings.

110 : 신호 획득부
120 : 신호 필터링부
130 : 신호 정규화부
140 : 신호 다운 샘플링부
150 : 모션 아티팩트 제거부
160 : 심박수 정보 제공부
110: signal acquisition unit
120: signal filtering unit
130: signal normalization unit
140: signal down-sampling unit
150: motion artifact removal unit
160: heart rate information providing unit

Claims (9)

반사형 광혈류측정기 센서에 의해 측정된 2채널 광혈류측정기 신호, 3축 가속도 신호 및 1채널 심전도 신호를 획득하는 신호 획득부;
상기 신호 획득부에서 획득한 2채널 광혈류측정기 신호 및 3축 가속도 신호를 버터워스 대역 통과 필터(Butterworth BPF)를 사용하여 신호를 필터링하는 신호 필터링부;
상기 필터링된 신호 중 2채널 광혈류측정기 신호는 단위 분산을 갖는 제로 평균으로 정규화하고 평균과 표준 편차를 이용하여 평균화하는 신호 정규화부;
상기 정규화되고 평균화된 광혈류측정기 신호 및 3축 가속도 신호를 25헤르츠(Hz)로 다운 샘플링하는 신호 다운 샘플링부;
상기 다운 샘플링된 가속도 신호를 이용하여 2채널 광혈류측정기 신호에서 모션 아티팩트를 제거하는 모션 아티팩트 제거부; 및
상기 모션 아티팩트가 제거된 신호를 유한 상태 머신(FSM)을 이용하여 파고율과 연속 창에서 측정된 심박수 변화의 값에 따라 결정되는 조건에 따라 상태 천이(state transition)를 발생시키고, 상태(state)가 안정 상태(stable state)인 경우의 심박수 만을 사용자에게 제공하는 심박수 정보 제공부;를 포함하는 유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 장치.
A signal acquisition unit that acquires a 2-channel optical blood flow analyzer signal, a 3-axis acceleration signal, and a 1-channel electrocardiogram signal measured by the reflective optical blood flow analyzer sensor;
A signal filtering unit for filtering the two-channel optical blood flow meter signal and the three-axis acceleration signal obtained by the signal acquisition unit using a Butterworth BPF;
A signal normalizing unit for normalizing a two-channel optical blood flow meter signal among the filtered signals to a zero average having a unit variance and averaging using an average and a standard deviation;
A signal down-sampling unit for down-sampling the normalized and averaged optical blood flow meter signal and the 3-axis acceleration signal to 25 hertz (Hz);
A motion artifact removal unit that removes motion artifacts from a two-channel optical blood flow meter signal using the down-sampled acceleration signal; And
Using a finite state machine (FSM) from the motion artifact removed signal, a state transition is generated according to a condition determined according to a crest factor and a value of a heart rate change measured in a continuous window, and the state is A device for estimating an accurate and consistent heart rate based on a finite state machine including; a heart rate information providing unit that provides only a heart rate in a stable state to a user.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 모션 아티팩트 제거부는,
위너필터(Wiener filter)를 적용하여 측정 신호 스펙트럼에서 노이즈 신호 스펙트럼을 뺀 값으로 깨끗한 광혈류측정기 신호 스펙트럼을 추정하는 것을 특징으로 하는 유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 장치.
The method of claim 1,
The motion artifact removal unit,
An apparatus for estimating an accurate and consistent heart rate based on a finite state machine, characterized in that, by applying a Wiener filter to subtract a noise signal spectrum from a measurement signal spectrum, a clean optical blood flow analyzer signal spectrum is estimated.
제 1 항에 있어서,
상기 2채널 광혈류측정기 신호는,
녹색 LED를 갖는 두 개의 맥박 산소 측정기에 의해 사용자의 손목으로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 장치.
The method of claim 1,
The two-channel optical blood flow meter signal,
A device for estimating accurate and consistent heart rate based on a finite state machine, characterized in that it is measured from the user's wrist by two pulse oximeters with green LEDs.
제 1 항에 있어서,
상기 3축 가속도 신호는,
3축 가속도계를 통해 사용자의 손목으로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 장치.
The method of claim 1,
The three-axis acceleration signal,
A device for estimating an accurate and consistent heart rate based on a finite state machine, characterized in that it is measured from a user's wrist through a 3-axis accelerometer.
제 1 항에 있어서,
상기 심전도 신호는,
습식 심전도 센서를 사용하여 사용자의 가슴으로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 장치.
The method of claim 1,
The ECG signal is,
An apparatus for estimating an accurate and consistent heart rate based on a finite state machine, characterized in that measured from the user's chest using a wet electrocardiogram sensor.
유한 상태 머신을 기반으로 정확하고 일관된 심박수를 추정하는 장치에서의 심박수를 추정하는 방법에 있어서,
반사형 광혈류측정기 센서에 의해 측정된 2채널 광혈류측정기 신호, 3축 가속도 신호 및 1채널 심전도 신호를 획득하는 신호 획득 단계;
상기 신호 획득 단계에서 획득한 2채널 광혈류측정기 신호 및 3축 가속도 신호를 버터워스 대역 통과 필터(Butterworth BPF)를 사용하여 신호를 필터링하는 신호 필터링 단계;
상기 필터링된 신호 중 2채널 광혈류측정기 신호는 단위 분산을 갖는 제로 평균으로 정규화하고 평균과 표준 편차를 이용하여 평균화하는 신호 정규화 단계;
상기 정규화되고 평균화된 광혈류측정기 신호 및 3축 가속도 신호를 25헤르츠(Hz)로 다운 샘플링하는 신호 다운 샘플링 단계;
상기 다운 샘플링된 가속도 신호를 이용하여 2채널 광혈류측정기 신호에서 모션 아티팩트를 제거하는 모션 아티팩트 제거 단계; 및
상기 모션 아티팩트가 제거된 신호를 유한 상태 머신(FSM)을 이용하여 파고율과 연속 창에서 측정된 심박수 변화의 값에 따라 결정되는 조건에 따라 상태 천이(state transition)를 발생시키고, 상태(state)가 안정 상태(stable state)인 경우의 심박수 만을 사용자에게 제공하는 심박수 정보 제공 단계;를 포함하는 심박수를 추정하는 방법.
In the method of estimating heart rate in a device for estimating accurate and consistent heart rate based on a finite state machine,
A signal acquisition step of acquiring a 2-channel optical blood flow analyzer signal, a 3-axis acceleration signal, and a 1-channel ECG signal measured by the reflective optical blood flow analyzer sensor;
A signal filtering step of filtering the two-channel optical blood flow meter signal and the three-axis acceleration signal obtained in the signal acquisition step by using a Butterworth BPF;
A signal normalization step of normalizing a two-channel optical blood flow meter signal among the filtered signals to a zero average having a unit variance and averaging using the average and standard deviation;
A signal down-sampling step of down-sampling the normalized and averaged optical blood flow meter signal and 3-axis acceleration signal to 25 hertz (Hz);
A motion artifact removal step of removing motion artifacts from a two-channel optical blood flow meter signal using the down-sampled acceleration signal; And
Using a finite state machine (FSM) from the motion artifact removed signal, a state transition is generated according to a condition determined according to a crest factor and a value of a heart rate change measured in a continuous window, and the state is A method for estimating heart rate comprising a; heart rate information providing step of providing only the heart rate in the case of a stable state to the user.
삭제delete 제 7 항에 있어서,
상기 모션 아티팩트 제거 단계는,
위너필터(Wiener filter)를 적용하여 측정 신호 스펙트럼에서 노이즈 신호 스펙트럼을 뺀 값으로 깨끗한 광혈류측정기 신호 스펙트럼을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 심박수를 추정하는 방법.
The method of claim 7,
The motion artifact removal step,
And estimating a clean optical blood flow analyzer signal spectrum by applying a Wiener filter to a value obtained by subtracting the noise signal spectrum from the measurement signal spectrum.
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