KR102277105B1 - 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템 및 그 구동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것으로서, 혈압 측정 대상자의 신체말단부에서 신체 접촉식으로 PPG 신호를 측정하는 제1 PPG 측정부; 상기 측정 대상자의 얼굴에서 카메라를 이용하여 신체 비접촉식으로 PPG 신호를 측정하는 제2 PPG 측정부; 상기 제1 PPG 측정부와 상기 제2 PPG 측정부에서 측정된 각각의 PPG 신호로부터 ECG의 R peak 발생 시각을 연산하는 ECG R peak 시각 연산부; 상기 제1 PPG 측정부에서 측정된 신체말단부에서의 PPG 신호와 상기 ECG R peak 시각 연산부에서 연산된 R peak 발생 시각으로부터 PTT(Pulse Transit Time) 값을 산출하는 PTT 산출부; 및 상기 PTT 산출부에서 산출된 PTT 값으로부터, 상기 측정 대상자의 혈압을 연산하는 혈압 연산부를 포함하며, 혈압 연산부에서 연산된 혈압을 디스플레이 화면에 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템 및 그 구동 방법에 따르면, 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 종래의 혈압 측정에 주로 이용되는 커프를 사용하지 않기 때문에 혈압 측정 대상자가 장치를 꼭 착용해야만 하는 불편함을 줄이고, 무구속 상태에서 매우 쉽고 간편하게 혈압을 측정할 수 있으며, 혈압 측정 대상자가 카메라 앞에 잠시 서 있는 것만으로도 혈압을 측정할 수 있어 혈압 측정 시스템을 사용하는 데 있어서 번거로움을 줄일 수 있는, 비침습적인 방법을 사용하여 간단하면서도 연속적으로 혈압 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제안하고 있는 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템 및 그 구동 방법에 따르면, 종래의 맥파전달시간을 이용해 혈압을 측정하는 과정에서 필요했던 ECG 측정을 대신하여, 카메라를 통해 혈압 측정 대상자의 얼굴에서 측정한 PPG 신호로부터 ECG R peak 발생 시각을 연산함으로써, ECG 측정 장치가 없더라도 간편하고 쉽게 맥파전달시간을 이용해 혈압을 측정할 수 있으며, 혈압을 연산하는 과정에서 많은 영향을 끼치는 혈압 측정 대상자의 신체적 특징 파라미터들을 이용하여 산출되는 혈압 값을 교정하기 때문에, 보다 정확하면서도 연속적으로 혈압의 변화를 측정할 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템 및 그 구동 방법에 따르면, 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 종래의 혈압 측정에 주로 이용되는 커프를 사용하지 않기 때문에 혈압 측정 대상자가 장치를 꼭 착용해야만 하는 불편함을 줄이고, 무구속 상태에서 매우 쉽고 간편하게 혈압을 측정할 수 있으며, 혈압 측정 대상자가 카메라 앞에 잠시 서 있는 것만으로도 혈압을 측정할 수 있어 혈압 측정 시스템을 사용하는 데 있어서 번거로움을 줄일 수 있는, 비침습적인 방법을 사용하여 간단하면서도 연속적으로 혈압 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제안하고 있는 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템 및 그 구동 방법에 따르면, 종래의 맥파전달시간을 이용해 혈압을 측정하는 과정에서 필요했던 ECG 측정을 대신하여, 카메라를 통해 혈압 측정 대상자의 얼굴에서 측정한 PPG 신호로부터 ECG R peak 발생 시각을 연산함으로써, ECG 측정 장치가 없더라도 간편하고 쉽게 맥파전달시간을 이용해 혈압을 측정할 수 있으며, 혈압을 연산하는 과정에서 많은 영향을 끼치는 혈압 측정 대상자의 신체적 특징 파라미터들을 이용하여 산출되는 혈압 값을 교정하기 때문에, 보다 정확하면서도 연속적으로 혈압의 변화를 측정할 수 있다.
Description
본 발명은 비접촉 혈압 측정 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
혈압(blood pressure)이란 혈액이 혈관 내를 흐를 때 혈관벽에 미치는 압력을 의미한다. 혈압이 같은 나이의 정상인에 비하여 훨씬 높은 상태를 고혈압, 반대로 훨씬 낮은 경우를 저혈압이라고 하는데, 최저혈압이 90㎜Hg 이상인 경우 일반적으로 치료 대상이 되며, 고혈압을 방치하면 뇌출혈 등 치명적인 질환이 발생할 위험이 있다. 이와 같이, 혈압은 고혈압 또는 저혈압 환자의 경우 치료 여부 등을 결정하기 위한 지표일 뿐만 아니라, 심박출량, 혈관의 탄성도, 환자의 생리적인 변화 등에 대한 많은 정보를 포함하고 있는 중요한 생리 지표이므로, 혈압을 주기적으로 측정하고 모니터링할 필요가 있다.
종래의 혈압 측정 방법으로는 침습적인 방법과 비침습적인 방법으로 구분할 수 있다. 먼저, 침습적인 방법은 연속적으로 정확한 혈압을 측정할 수 있는 장점은 있으나, 혈관에 도자(catheter)를 삽입해야 하는 기술적인 문제와 감염 및 부작용의 위험이 따르는 단점을 가지고 있다. 다음으로, 비침습적인 방법으로는 코르트코프 소리(korotkoff sound)를 이용하여 혈압을 측정하는 청진법(auscultatory mothod)이 가장 대표적인 혈압 측정 방법이다. 그러나, 비침습적인 혈압 측정 방법은 커프의 팽창과 수축이 필요하며, 연속적인 혈압을 측정하는 것이 불가능한 문제점이 있었다. 또한, 비침습적인 방법 중 토노미터(tonometer)는 연속적인 혈압 파형을 제공할 수 있다는 장점은 있으나, 손목의 움직임과 센서의 위치에 대한 반응이 매우 민감하다는 단점을 가지고 있었다.
상술한 바와 같은 비침습적 혈압 측정 방법들의 단점을 보완하기 위하여, 최근 ECG(심전도, Electrocardiogram)의 R파 최대값(peak)과 PPG(광용적맥파, Photoplethysmography)의 최대값(peak) 사이의 지연시간을 이용한 PTT(맥파전달시간, Pulse Transit Time)를 이용하여 혈압을 비침습적이면서 연속적으로 측정하는 방법이 연구되고 있다.
한편, 본 발명과 관련된 선행기술로서, 한국공개특허 제10-2007-0056925호(발명의 명칭: 혈압측정 방법 및 장치, 공고일자: 2007년 06월 04일) 등이 개시된 바 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 종래의 혈압 측정에 주로 이용되는 커프를 사용하지 않기 때문에 혈압 측정 대상자가 장치를 꼭 착용해야만 하는 불편함을 줄이고, 무구속 상태에서 매우 쉽고 간편하게 혈압을 측정할 수 있으며, 혈압 측정 대상자가 카메라 앞에 잠시 서 있는 것만으로도 혈압을 측정할 수 있어 혈압 측정 시스템을 사용하는 데 있어서 번거로움을 줄일 수 있는, 비침습적인 방법을 사용하여 간단하면서도 연속적으로 혈압 측정이 가능한, 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 종래의 맥파전달시간을 이용해 혈압을 측정하는 과정에서 필요했던 ECG 측정을 대신하여, 카메라를 통해 혈압 측정 대상자의 얼굴에서 측정한 PPG 신호로부터 ECG R peak 발생 시각을 연산함으로써, ECG 측정 장치가 없더라도 간편하고 쉽게 맥파전달시간을 이용해 혈압을 측정할 수 있으며, 혈압을 연산하는 과정에서 많은 영향을 끼치는 혈압 측정 대상자의 신체적 특징 파라미터들을 이용하여 산출되는 혈압 값을 교정하기 때문에, 보다 정확하면서도 연속적으로 혈압의 변화를 측정할 수 있는, 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템은,
카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템으로서,
혈압 측정 대상자(이하, 측정 대상자라 한다)의 신체말단부에서 신체 접촉식으로 PPG 신호를 측정하는 제1 PPG 측정부;
상기 측정 대상자의 얼굴에서 카메라를 이용하여 신체 비접촉식으로 PPG 신호를 측정하는 제2 PPG 측정부;
상기 제1 PPG 측정부와 상기 제2 PPG 측정부에서 측정된 각각의 PPG 신호로부터 ECG의 R peak 발생 시각을 연산하는 ECG R peak 시각 연산부;
상기 제1 PPG 측정부에서 측정된 신체말단부에서의 PPG 신호와 상기 ECG R peak 시각 연산부에서 연산된 R peak 발생 시각으로부터 PTT 값을 산출하는 PTT 산출부; 및
상기 PTT 산출부에서 산출된 PTT 값으로부터, 상기 측정 대상자의 혈압을 연산하는 혈압 연산부를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 PPG 측정부는,
상기 측정 대상자의 신체말단부인 손가락 또는 손목에 장착된 PPG 센서를 이용하여, 신체 접촉식으로 신체말단부에서의 PPG 신호를 측정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 PPG 측정부는,
상기 카메라에서 촬영된 상기 측정 대상자의 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 대상 영역 선택부;
상기 대상 영역 선택부에서 선택된 대상 영역에서 반사되어 나온 광신호를, 상기 카메라에서 촬영된 영상의 각 프레임별로 검출하는 광신호 검출부;
상기 광신호 검출부에서 검출된 광신호를 전하로 변환시키는 광전변환부;
상기 광전변환부에서 전하로 변환된 신호로부터 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하는 연산부;
상기 연산부에서 연산된 혈류량 변화 신호를 주파수 신호로 변환시켜 PPG 신호로 출력하는 주파수 신호 변환부; 및
상기 주파수 신호 변환부에서 변환된 PPG 신호를 가공하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 대상 영역 선택부는,
상기 카메라에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 인식하는 얼굴 인식부;
상기 얼굴 인식부에서 인식된 얼굴에서 모든 특징점을 검출하는 특징점 검출부;
상기 특징점 검출부에서 검출된 특징점 중 광신호 추출에 효과적인 유효 특징점만 추출하는 유효 특징점 추출부; 및
상기 유효 특징점 추출부에서 추출된 유효 특징점으로부터 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하는 대상 영역 결정부를 포함하여 구성될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 연산부는,
상기 광전변환부에서 전하로 변환된 신호의 세기를 x,y 좌표상의 픽셀값으로 저장하고, 상기 대상 영역을 기설정된 혈류량이 일정하다고 볼 수 있는 작은 영역으로 나누어, 나누어진 각각의 작은 영역에서의 상기 x,y 좌표상의 픽셀값의 평균값을 연산한 후에 시간에 따른 상기 평균값 변화를 추적함으로써, 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 제어부는,
상기 주파수 신호 변환부에서 변환된 PPG 신호에서 노이즈 또는 잡음을 필터링하여, 출력되는 PPG 신호의 주파수 범위를 결정하는 필터부, 및 상기 필터부에서 노이즈 또는 잡음이 필터링 되어 출력된 PPG 신호를 적절한 이득 값으로 증폭시켜주는 증폭부를 포함하여 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 ECG R peak 시각 연산부는,
상기 측정 대상자의 심장에서 신체말단부까지 또는 상기 측정 대상자의 심장에서 얼굴까지의 거리와 맥박전달시간과의 관계를 이용하여 ECG R peak 발생 시각을 연산할 수 있다.
바람직하게는, 상기 PTT 산출부는,
상기 ECG R peak 시각 연산부에서 연산된 ECG R peak 발생 시각과 상기 제1 PPG 측정부에서 측정된 신체말단부에서의 PPG peak 발생 시각 사이의 차이를 구하여 PTT 값을 산출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 혈압 연산부는,
연산 과정에서 영향을 끼치는 상기 측정 대상자의 키, 나이, 성별, 몸무게, 및 PPG 측정 부위와의 거리의 신체정보를 활용하여 연산되는 혈압의 오차를 줄일 수 있다.
바람직하게는,
상기 혈압 연산부에서 연산된 혈압을 디스플레이 화면에 표시하는 디스플레이부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 방법은,
카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 방법으로서,
(1) 측정 대상자의 신체말단부에서 신체 접촉식으로 PPG 신호를 측정하는 단계;
(2) 상기 측정 대상자의 얼굴에서 카메라를 이용하여 신체 비접촉식으로 PPG 신호를 측정하는 단계;
(3) 상기 단계 (1)과 상기 단계 (2)에서 측정된 각각의 PPG 신호로부터 ECG의 R peak 발생 시각을 연산하는 단계;
(4) 상기 단계 (1)에서 측정된 신체말단부에서의 PPG 신호와 상기 단계 (3)에서 연산된 ECG R peak 발생 시각으로부터 PTT를 산출하는 단계; 및
(5) 상기 단계 (4)에서 산출된 PTT 값으로부터, 상기 측정 대상자의 혈압을 연산하는 단계를 포함하는 것을 그 구현상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 단계 (1)에서는,
상기 측정 대상자의 신체말단부인 손가락 또는 손목에 장착된 PPG 센서를 이용하여, 신체 접촉식으로 신체말단부에서의 PPG 신호를 측정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (2)는,
(2-1) 상기 카메라에서 촬영된 상기 측정 대상자의 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 단계;
(2-2) 상기 단계 (2-1)에서 선택된 대상 영역에서 반사되어 나온 광신호를, 상기 카메라에서 촬영된 영상의 각 프레임별로 검출하는 단계;
(2-3) 상기 단계 (2-2)에서 검출된 광신호를 전하로 변환시키는 단계;
(2-4) 상기 단계 (2-3)에서 전하로 변환된 신호로부터 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하는 단계;
(2-5) 상기 단계 (2-4)에서 연산된 혈류량 변화 신호를 주파수 신호로 변환시켜 PPG 신호로 출력하는 단계; 및
(2-6) 상기 단계 (2-5)에서 변환된 PPG 신호를 가공하는 단계를 포함하여 구현될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 단계 (2-1)은,
(2-1-1) 상기 카메라에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 인식하는 단계;
(2-1-2) 상기 단계 (2-1-1)에서 인식된 얼굴에서 모든 특징점을 검출하는 단계;
(2-1-3) 상기 단계 (2-1-2)에서 검출된 특징점 중 광신호 추출에 효과적인 유효 특징점만 추출하는 단계; 및
(2-1-4) 상기 단계 (2-1-3)에서 추출된 유효 특징점으로부터 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하는 단계를 포함하여 구현될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 단계 (2-4)에서는,
상기 단계 (2-3)에서 전하로 변환된 신호의 세기를 x,y 좌표상의 픽셀값으로 저장하고, 상기 대상 영역을 기설정된 혈류량이 일정하다고 볼 수 있는 작은 영역으로 나누어, 나누어진 각각의 작은 영역에서의 상기 x,y 좌표상의 픽셀값의 평균값을 연산한 후에 시간에 따른 상기 평균값 변화를 추적함으로써, 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 단계 (2-6)은,
(2-6-1) 상기 단계 (2-5)에서 변환된 PPG 신호에서 노이즈 또는 잡음을 필터링하여, 출력되는 PPG 신호의 주파수 범위를 결정하는 단계; 및
(2-6-2) 상기 단계 (2-6-1)에서 노이즈 또는 잡음이 필터링 되어 출력된 PPG 신호를 적절한 이득 값으로 증폭시켜주는 단계를 포함하여 구현될 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (3)에서는,
상기 측정 대상자의 심장에서 신체말단부까지 또는 상기 측정 대상자의 심장에서 얼굴까지의 거리와 맥박전달시간과의 관계를 이용하여 ECG R peak 발생 시각을 연산할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (4)에서는,
상기 단계 (3)에서 연산된 ECG R peak 발생 시각과 상기 단계 (1)에서 측정된 신체말단부에서의 PPG peak 발생 시각 사이의 차이를 구하여 PTT 값을 산출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (5)에서는,
(5-1) 연산 과정에서 영향을 끼치는 상기 측정 대상자의 키, 나이, 성별, 몸무게, 및 PPG 측정 부위와의 거리의 신체정보를 활용하여 연산되는 혈압의 오차를 줄일 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템 및 그 구동 방법에 따르면, 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 종래의 혈압 측정에 주로 이용되는 커프를 사용하지 않기 때문에 혈압 측정 대상자가 장치를 꼭 착용해야만 하는 불편함을 줄이고, 무구속 상태에서 매우 쉽고 간편하게 혈압을 측정할 수 있으며, 혈압 측정 대상자가 카메라 앞에 잠시 서 있는 것만으로도 혈압을 측정할 수 있어 혈압 측정 시스템을 사용하는 데 있어서 번거로움을 줄일 수 있는, 비침습적인 방법을 사용하여 간단하면서도 연속적으로 혈압 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제안하고 있는 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템 및 그 구동 방법에 따르면, 종래의 맥파전달시간을 이용해 혈압을 측정하는 과정에서 필요했던 ECG 측정을 대신하여, 카메라를 통해 혈압 측정 대상자의 얼굴에서 측정한 PPG 신호로부터 ECG R peak 발생 시각을 연산함으로써, ECG 측정 장치가 없더라도 간편하고 쉽게 맥파전달시간을 이용해 혈압을 측정할 수 있으며, 혈압을 연산하는 과정에서 많은 영향을 끼치는 혈압 측정 대상자의 신체적 특징 파라미터들을 이용하여 산출되는 혈압 값을 교정하기 때문에, 보다 정확하면서도 연속적으로 혈압의 변화를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면.
도 2는 종래의 신체 접촉식으로 신체말단부에서의 PPG 신호를 측정하는 방법을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 대상 영역 선택부의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 방법을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템에서 각 프레임마다 색상 채널별 분리된 광신호 데이터값을 검출하는 방법을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 검출된 광신호의 세기와 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이의 상관관계를 이용하는 원리를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 제어부 구성을 기능 블록으로 도시한 도면.
도 8은 ECG 신호의 파형을 분석한 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템에서의 PTT 값 산출 원리를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템에서 혈압을 측정하는 방법의 흐름을 도시한 도면.
도 2는 종래의 신체 접촉식으로 신체말단부에서의 PPG 신호를 측정하는 방법을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 대상 영역 선택부의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 방법을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템에서 각 프레임마다 색상 채널별 분리된 광신호 데이터값을 검출하는 방법을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 검출된 광신호의 세기와 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이의 상관관계를 이용하는 원리를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 제어부 구성을 기능 블록으로 도시한 도면.
도 8은 ECG 신호의 파형을 분석한 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템에서의 PTT 값 산출 원리를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템에서 혈압을 측정하는 방법의 흐름을 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결 되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 간접적으로 연결 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템은, 혈압 측정 대상자(이하, 측정 대상자라 한다)의 신체말단부에서 신체 접촉식으로 PPG(Photoplethysmography) 신호를 측정하는 제1 PPG 측정부(100); 측정 대상자의 얼굴에서 카메라를 이용하여 신체 비접촉식으로 PPG 신호를 측정하는 제2 PPG 측정부(200); 제1 PPG 측정부(100)와 제2 PPG 측정부(200)에서 측정된 각각의 PPG 신호로부터 ECG(Electrocardiogram)의 R peak 발생 시각을 연산하는 ECG R peak 시각 연산부(300); 제1 PPG 측정부(100)에서 측정된 신체말단부에서의 PPG 신호와 ECG R peak 시각 연산부(300)에서 연산된 R peak 발생 시각으로부터 PTT(Pulse Transit Time) 값을 산출하는 PTT 산출부(400); 및 PTT 산출부(400)에서 산출된 PTT 값으로부터, 측정 대상자의 혈압을 연산하는 혈압 연산부(500)를 포함하여 구성될 수 있으며, 혈압 연산부(500)에서 연산된 혈압을 디스플레이 화면에 표시하는 디스플레이부(600)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
도 2는 종래의 신체 접촉식으로 신체말단부에서의 PPG 신호를 측정하는 방법을 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 PPG 측정부(100)는, 측정 대상자의 신체말단부인 손가락 또는 손목에 장착된 PPG 센서를 이용하여, 신체 접촉식으로 신체말단부에서의 PPG 신호를 측정할 수 있다. 이하, PPG 신호에 대하여 구체적으로 설명한다.
PPG 측정은 생체조직의 광학적 특성을 이용하여 혈관에 흐르는 혈류량을 측정함으로써 심박동 상태를 추정하는 방법이다. 말초혈관으로 혈액이 흐를 때 심장의 이완기와 수축기 사이에 혈액의 흐름이 느려져 혈관 내 투명도의 변화를 일으키며, 이 투명도 변화를 감지하는 것을 PPG 측정의 기본 원리로 한다. 이러한 형상은 신체의 말초조직 얼굴이나 손가락 귓불 등에서 확실히 측정할 수 있으며, 일반적으로 사용되는 PPG 측정의 경우 손가락을 이용하여 측정한다.
제2 PPG 측정부(200)는, 카메라를 이용해 카메라에서 촬영된 영상으로부터 측정 대상자의 PPG 신호를 연산하여, 신체 비접촉식으로 얼굴에서의 PPG 신호를 측정할 수 있다. 즉, 일반적으로 사용되는 종래의 PPG 센서에서와 같은 원리를 얼굴에도 적용할 경우 심박동 상태에 따라 얼굴 피부의 혈관 내 혈류량 또한 마찬가지로 변화할 것이므로, 제2 PPG 측정부(200)에서는 카메라를 통하여 얼굴 피부의 혈관 내 혈류량 변화를 측정하여 분석함으로써 심장 박동 상태를 측정할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제2 PPG 측정부(200)는, 카메라에서 촬영된 측정 대상자의 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 대상 영역 선택부(210); 대상 영역 선택부(210)에서 선택된 대상 영역에서 반사되어 나온 광신호를, 카메라에서 촬영된 영상의 각 프레임별로 검출하는 광신호 검출부(220); 광신호 검출부(220)에서 검출된 광신호를 전하로 변환시키는 광전변환부(230); 광전변환부(230)에서 전하로 변환된 신호로부터 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하는 연산부(240); 연산부(240)에서 연산된 혈류량 변화 신호를 주파수 신호로 변환시켜 PPG 신호로 출력하는 주파수 신호 변환부(250); 및 주파수 신호 변환부(250)에서 변환된 PPG 신호를 가공하는 제어부(260)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 대상 영역 선택부(210)의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면이다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 대상 영역 선택부(210)는, 카메라에서 촬영된 영상으로부터 측정 대상자의 얼굴을 인식하는 얼굴 인식부(211); 얼굴 인식부(211)에서 인식된 얼굴에서 모든 특징점을 검출하는 특징점 검출부(212); 특징점 검출부(212)에서 검출된 특징점 중 광신호 추출에 효과적인 유효 특징점만 추출하는 유효 특징점 추출부(213); 및 유효 특징점 추출부(213)에서 추출된 유효 특징점으로부터 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하는 대상 영역 결정부(214)를 포함하여 구성될 수 있다. 따라서, 촬영된 측정 대상자의 영상으로부터 광신호를 추출할 최적의 대상 영역을 선택하여 측정 대상자의 PPG 측정의 정확도를 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 방법을 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 얼굴 인식부(211)는, 카메라에서 촬영된 영상의 각각의 프레임에 대하여 측정 대상자의 얼굴을 인식할 수 있다(도 4의 Step 1). 얼굴 인식 방법으로는 기존에 존재하는 임의의 얼굴 인식 방법이 이용될 수 있다. 얼굴 인식부(211)가 프레임 내에 얼굴이 존재한다고 판단할 경우, 그 얼굴이 측정 대상자의 얼굴이라고 결정할 수 있다.
특징점 검출부(212)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 얼굴 인식부(211)에서 인식된 얼굴에서 광신호 측정에 적절한 얼굴 영역을 결정하기에 적합한 모든 특징점을 검출할 수 있다(도 4의 Step 2). 보다 구체적으로, 측정 대상자의 얼굴 영역 내에 위치하는 얼굴 기관뿐만 아니라, 측정 대상자 얼굴의 윤곽선을 따라 얼굴 영역을 결정할 수 있는 모든 특징점을 검출할 수 있다. 얼굴 기관은 눈, 코, 입, 귀가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 얼굴에 위치하는 다양한 신체 일부를 포함할 수 있고, 얼굴에 착용 된 안경이나 선글라스를 포함하여 넓게 해석함이 바람직하다.
유효 특징점 추출부(213)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 특징점 검출부(212)에서 검출된 특징점 중 측정 대상자의 얼굴 영역을 인식하고 광신호를 추출하는 데 꼭 필요하거나 효과적인 유효 특징점만 추출할 수 있다(도 4의 Step 3).
영역 결정부(214)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 유효 특징점 추출부(213)에서 추출된 유효 특징점을 연결하여 광신호를 추출할 대상 영역을 결정할 수 있다(도 4의 Step 4). 광신호를 추출할 대상 영역을 결정할 경우, 모세혈관이 밀집하여 있어 심장 박동에 따른 헤모글로빈 농도의 변화가 큰 부위가 적절한데, 이마 또는 뺨이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 대상 영역은 얼굴 중에서 표정에 의한 움직임이 비교적 적은 영역이므로 심박수의 측정에 적합할 뿐만 아니라, 측정 대상자 얼굴의 중앙에 위치하므로 얼굴이 프레임 내에서 움직임이 있더라도 심박수 측정에 주는 영향을 줄일 수 있다. 도 4에 도시된 대상 영역 결정의 실시예에 따르면, 대상 영역은, 코의 일측에 위치한 특징점, 귀의 하단에 위치한 특징점, 및 입의 일측에 위치한 특징점을 연결하는 직선으로 둘러싸인 삼각형의 영역일 수 있다.
만약, 카메라에서 촬영된 영상으로부터 측정 대상자의 얼굴을 인식하기에 부적합하거나, 측정 대상자의 얼굴에서 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하기에 부적합한 경우, 대상 영역 선택부(210)에서는, 측정 대상자의 얼굴 영상 재획득을 요구하는 것도 가능하다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템에서 각 프레임마다 색상 채널별 분리된 광신호 데이터값을 검출하는 방법을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 광신호 검출부(220)는, 카메라에서 촬영된 영상에서 다수의 색상의 광신호를 검출하는 경우, 프레임마다 색상 채널별 분리된 각각의 광신호 데이터값을 검출할 수 있다. 즉, RGB 표색계의 경우, 촬영된 영상에서 각각의 프레임마다 적색(R) 성분 채널, 녹색(G) 성분 채널 및 청색(B) 성분 채널별 분리된 각각의 광신호 데이터값을 검출할 수 있다.
특히, 광신호 검출부(220)는, 녹색(G) 성분 채널의 광신호 데이터를 검출할 수 있다. 즉, 발색 요소인 헤모글로빈과 산화 헤모글로빈의 빛 흡수율이 가장 높은 파장인 녹색(G) 성분 채널을 사용함으로써, 심장 박동에 따른 헤모글로빈 농도의 변화를 측정하기에 더욱 용이하다.
광전변환부(230)는, 광신호 검출부(220)에서 검출된 광신호를 전하로 변환시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 광을 전하로 변환시키는 소자인 광전변환소자를 이용함으로써, 광전변환소자에 광이 전달되면, 광이 전하로 변환될 수 있다. 바람직하게는, 광전변환소자로서 포토다이오드가 사용될 수 있다.
연산부(240)는, 광전변환부(230)에서 전하로 변환된 신호로부터 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산할 수 있다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 검출된 광신호의 세기와 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이의 상관관계를 이용하는 원리를 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 연산부(240)는 혈류량 변화를 연산하는 과정에서, 광신호 검출부(220)에서 검출된 광신호의 세기와 측정 대상자의 혈류량 변화에 따른 피하반사율 사이에 상관관계가 있다는 특징을 이용하여 연산할 수 있다.
보다 구체적으로, 연산부(240)는, 광전변환부(230)에서 전하로 변환된 신호의 세기를 x,y 좌표상의 픽셀값으로 저장하고, 대상 영역을 기설정된 혈류량이 일정하다고 볼 수 있는 작은 영역으로 나누어, 나누어진 각각의 작은 영역에서의 x,y 좌표상의 픽셀값의 평균값을 연산한 후에 시간에 따른 평균값 변화를 추적함으로써, 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산할 수 있다. 이하, 수학식을 이용하여 피하 혈류량 변화를 연산하는 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
카메라에서 촬영된 영상의 각 프레임별, 측정 대상자 얼굴의 대상 영역으로부터 반사되어 나온 광신호의 세기를 각각 x,y 좌표에 픽셀값으로 저장할 수 있는데, 이 값을 V(x,y,t)라 한다. 이 때, V(x,y,t)는, 아래의 수학식 1에서 알 수 있듯이, 조명의 세기 I(x,y,t)와 피부의 반사율 R(x,y,t) 두 가지 요소의 곱으로 구성될 수 있다.
조명의 세기 I(x,y,t)는 측정 대상자 얼굴의 대상 영역에 비춰지는 모든 빛을 의미할 수 있다. 이 때, PPG가 측정되는 대상 영역에 한하여 일정한 조명의 세기가 필요하다. 피부의 반사율 R(x,y,t)은 피부로부터 반사된 광의 세기를 나타내는데, 이는 피부표면의 반사와 피하조직의 반사 이 두 종류의 반사로 이루어질 수 있다.
측정 대상자 얼굴의 대상 영역을 혈류량이 일정하다고 할 수 있을 만큼 작은 영역 (Regions of interests, ROIs)으로 나누어, 나누어진 각각의 작은 영역에서의 V(x,y,t) 값을 R이라 할 수 있는데, 이때 yi(t)는 시간 t에 따른 ROI Ri 픽셀값의 평균값이며, I{1,2,…,n}는 R의 인덱스 값이다. ROI Ri 에서의 일정한 빛의 세기를 Ii로 나타낼 경우, yi(t)는 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
위의 수학식 2에서 Ii는 ROI Ri의 빛의 세기를 나타내며, ai는 혈류의 세기를 말하고, bi는 얼굴 피부 표면에서의 반사율을 말하며, qi(t)는 카메라 양자화 노이즈를 나타낸다. ROI Ri에 Ii의 빛이 비춰질 때 많은 양의 반사(bi)가 피부표면에서 이루어지는데, 이 값의 경우 혈류량 변화에 전혀 영향을 받지 않는 값이다. 하지만 일부분의 빛이 피부표면을 뚫고 들어가서 혈류변화에 따라 빛 반사량이 달라질 수 있는데, 이 값을 p(t)로 나타낸다. 여기서 피부표면 아래의 빛의 반사에 기여하는 두 요인 ai와 p(t)로 피하반사율을 구할 수 있다. 따라서, 연산부(240)는, ROI Ri 값이 측정 대상자의 혈류량 변화에 따른 피하반사율에 영향을 받는다는 특징을 이용하여 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산할 수 있다.
주파수 신호 변환부(250)는, 연산부(240)에서 연산된 신호를 주파수 신호로 변환시킬 수 있다. 즉, 연산부(240)에서 연산된 측정 대상자의 피하 혈류량 변화 신호를 주파수 영역의 주파수 신호로 변환시킬 수 있다.
제어부(260)는, 주파수 신호 변환부(250)에서 변환된 신호를 가공할 수 있다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 제어부 구성을 기능 블록으로 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 제어부(260)는, 주파수 신호 변환부(250)에서 변환된 PPG 신호에서 노이즈 또는 잡음을 필터링하여, 출력되는 PPG 신호의 주파수 범위를 결정하는 필터부(261), 및 필터부(261)에서 노이즈 또는 잡음이 필터링 되어 출력된 PPG 신호를 적절한 이득 값으로 증폭시켜주는 증폭부(262)를 포함하여 구성될 수 있다.
필터부(261)는, 심박 성분의 검출에 방해가 되는, 노이즈 성분을 제거하거나 저감할 수 있다. 즉, 영상을 구성하는 각각의 프레임에서의 얼굴 위치의 변화, 얼굴 방향의 변화 또는 얼굴 표정의 변화 등 얼굴의 움직임이나 측정 대상자 얼굴의 대상 영역을 비추는 빛과 같은 환경의 변화로 인하여 측정되는 광신호에 영향을 줄 수 있는데, 이러한 노이즈는 심박 성분의 검출에 방해가 될 수 있다. 따라서, 노이즈 성분을 제거하거나, 저감하는 것이 바람직하다. 일반적으로 노이즈 성분은 심박 성분보다 낮은 주파수 성분으로 구성되나 반드시 낮은 주파수일 필요는 없으며, 심박 성분보다 더 높거나 같을 수 있다. 필터부(261)는, 밴드패스 필터 등의 필터를 사용함으로써, 출력되는 PPG 신호의 주파수 범위를 결정하여, 노이즈 성분이 제거된 정확한 PPG 신호를 추출할 수 있다.
증폭부(262)는, 노이즈 또는 잡음이 필터링 되어 출력된 PPG 신호를 적절한 이득 값으로 증폭시킬 수 있다. 즉, 증폭부(262)에서는 가변저항을 이용함으로써, 사람마다 얻어지는 다양한 파형의 PPG 신호에 따라 증폭률을 조절할 수 있는데, 파형이 작게 나오는 사람의 경우 PPG 신호를 적절한 이득 값으로 증폭시킬 수 있다.
ECG R peak 시각 연산부(300)는, 제1 PPG 측정부(100)와 제2 PPG 측정부(200)에서 측정된 각각의 PPG 신호로부터 ECG(Electrocardiogram)의 R peak 발생 시각을 연산할 수 있다. 도 8은 ECG 신호의 파형을 분석한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 심장은 폐와 온몸으로 혈액을 순환시키기 위해 수축과 이완을 반복하는데, ECG 신호는, 심근세포들을 동시에 수축시키기 위해 신호를 동방결절과 방실결절에서 보내는 과정에서 얻을 수 있는 전기적 신호를 나타낸다. 도 8은 대표적인 ECG 신호 파형으로, 파형의 피크 위치에 따라 'PQRST파' 라고 부를 수도 있다. 일반적으로 PTT(맥파전달시간) 값을 구하기 위해서는 그 중 R파를 이용할 수 있는데, R파는 혈액이 심장에서 방출되어 나오는 시기이다.
다만, 본 발명에서는 ECG 신호 측정 장치를 사용하지 않고서도 신체말단부에서의 PPG와 얼굴에서의 PPG를 이용하여 ECG R peak 발생 시각 구하고자 하는바, ECG R peak 시각 연산부(300)에서는, 측정 대상자의 심장에서 신체말단부까지 또는 측정 대상자의 심장에서 얼굴까지의 거리와 맥박전달시간과의 관계를 이용하여 ECG R peak 발생 시각을 연산할 수 있다. 이하 수학식을 이용하여 그 연산 과정을 더욱 자세히 설명한다.
ECG R peak 발생 시각을 tECG라 라고, 신체말단부에서 발생한 맥박의 peak 시각을 th로 하였으며, 얼굴에서 발생한 맥박의 peak 시각을 tf라 하고, 심장에서 신체말단부까지의 거리를 sh라 하며, 심장에서 얼굴까지의 거리를 sf라 하고, 맥파전달시간에 미치는 영향중 거리를 제외한 나머지 요소를 포함한 상관계수를 k라 하면, 맥박의 도달시간에서 절대적으로 많은 영향을 끼치는 심장과의 거리비를 이용하여 아래의 수학식 3을 구할 수 있다.
따라서, 수학식 3을 이용하여 tECG 값을 구함으로써, ECG 센서 없이도 ECG R peak 발생 시각을 연산할 수 있다.
PTT(맥파전달시간)는 혈액이 심장에서 출발하여 손끝이나 발끝 등의 말초에 도달하기까지 걸리는 시간을 의미하는데, 맥동성 압력파가 대동맥 판막으로부터 말초 부위까지 전달되는 시간이며, 맥파전파속도와 반비례 관계이다. PTT는 혈관 탄성도(elasticity)의 반대 개념인 유순도(compliance)에 비례하며 혈관의 거리, 구경, 혈관벽의 구조적 특성에 의존적이다. 혈관계의 질환, 당뇨병 그리고 노령화가 진행되는 동안 동맥의 유순도를 감소시킴에 따라 PTT는 감소하게 되고 맥파전달속도는 증가하게 된다. PTT 또는 맥파전달속도 측정으로부터 인체에서의 혈관계 질환 또는 그 이외의 질환의 판별수단으로 도움을 받을 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템에서의 PTT 값 산출 원리를 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템의 PTT 산출부(400)는, 제1 PPG 측정부(100)와 제2 PPG 측정부(200)에서 측정된 각각의 PPG 신호로부터 ECG(Electrocardiogram)의 R peak 발생 시각을 연산할 수 있다. 보다 구체적으로, PTT 산출부(400)는, ECG R peak 시각 연산부(300)에서 연산된 ECG R peak 발생 시각과 제1 PPG 측정부(100)에서 측정된 신체말단부에서의 PPG peak 발생 시각 사이의 차이 즉, th 와 tECG의 차이를 구하여 PTT 값을 산출할 수 있다. 따라서 이를 수학식 3과 연립하여 정리하면, 아래의 수학식 4를 구할 수 있다.
혈압 연산부(500)에서는, PTT 산출부(400)에서 수학식 4를 이용하여 산출된 PTT 값으로부터, 측정 대상자의 혈압을 연산할 수 있다. 즉, PTT 값을 이용하여 측정 대상자의 혈압을 연산하는 과정은 종래의 기술을 이용할 수 있는데, 그 혈압 연산 과정은 PWV(pulse wave velocity)를 기반으로 할 수 있다. 여기서 PWV는 압력 펄스의 속도를 나타내는데, PTT를 이용하여 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
상기 수학식 5에서 BDC는 body correlation factor이며, height는 신장을 나타낸다. BDC는 성인의 경우 0.5를 사용한다.
다만, PTT 값을 기반으로 혈압을 측정하는 과정 중 영향을 끼치는 여러 신체 파라미터(키, 몸무게, PPG 측정 부위와의 거리, 혈관 유순도)가 있는바, 오차 범위를 줄이기 위하여 이러한 요소들을 고려할 필요가 있다. 따라서 혈압 연산부(500)는, 측정 대상자의 키, 나이, 성별, 몸무게, 및 PPG 측정 부위와의 거리의 신체정보를 활용하여 연산되는 혈압의 오차를 줄일 수 있으며, 특히 신체 파라미터들 중 가장 큰 영향을 미치는, 키와 PPG 측정 부위와의 거리를 주요소로 고려할 수 있다.
디스플레이부(600)는, 혈압 연산부(500)에서 연산된 혈압을 디스플레이 화면에 표시할 수 있다. 즉, 디스플레이부(600)는, 측정 대상자에게 자신의 혈압을 실시간으로 알 수 있도록 보여주는 모든 장치가 이용될 수 있는데, 예를 들면, 텔레비전의 액정 디스플레이, 컴퓨터의 액정 디스플레이 또는 휴대전화의 액정 디스플레이일 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템에서 혈압을 측정하는 방법의 흐름을 도시한 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 방법은, 측정 대상자의 신체말단부에서 PPG 신호를 측정하는 단계(S100), 측정 대상자의 얼굴에서 PPG 신호를 측정하는 단계(S200), 단계 S100과 단계 S200에서 측정된 각각의 PPG 신호로부터 ECG의 R peak 발생 시각을 연산하는 단계(S300), 단계 S100에서 측정된 신체말단부에서의 PPG 신호와 단계 S300에서 연산된 ECG R peak 발생 시각으로부터 PTT를 산출하는 단계(S400), 및 단계 S400에서 산출된 PTT 값으로부터, 측정 대상자의 혈압을 연산하는 단계(S500)를 포함하여 구현될 수 있으며, 단계 S500에서 연산된 혈압을 디스플레이 화면에 표시하는 단계(S600)를 더 포함하여 구현될 수 있다.
각각의 단계들과 관련된 상세한 내용들은, 앞서 본 발명의 일실시예에 따른 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템과 관련하여 충분히 설명되었으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 제1 PPG 측정부
200: 제2 PPG 측정부
210: 대상 영역 선택부
211: 얼굴 인식부
212: 특징점 검출부
213: 유효 특징점 추출부
214: 대상 영역 결정부
220: 광신호 검출부
230: 광전변환부
240: 연산부
250: 주파수 신호 변환부
260: 제어부
261: 필터부
262: 증폭부
300: ECG R peak 시각 연산부
400: PTT 산출부
500: 혈압 연산부
600: 디스플레이부
S100: 측정 대상자의 신체말단부에서 PPG 신호를 측정하는 단계
S200: 측정 대상자의 얼굴에서 PPG 신호를 측정하는 단계
S300: 단계 S100과 단계 S200에서 측정된 각각의 PPG 신호로부터 ECG의 R peak 발생 시각을 연산하는 단계
S400: 단계 S100에서 측정된 신체말단부에서의 PPG 신호와 단계 S300에서 연산된 ECG R peak 발생 시각으로부터 PTT를 산출하는 단계
S500: 단계 S400에서 산출된 PTT 값으로부터, 측정 대상자의 혈압을 연산하는 단계
S600: 단계 S500에서 연산된 혈압을 디스플레이 화면에 표시하는 단계
200: 제2 PPG 측정부
210: 대상 영역 선택부
211: 얼굴 인식부
212: 특징점 검출부
213: 유효 특징점 추출부
214: 대상 영역 결정부
220: 광신호 검출부
230: 광전변환부
240: 연산부
250: 주파수 신호 변환부
260: 제어부
261: 필터부
262: 증폭부
300: ECG R peak 시각 연산부
400: PTT 산출부
500: 혈압 연산부
600: 디스플레이부
S100: 측정 대상자의 신체말단부에서 PPG 신호를 측정하는 단계
S200: 측정 대상자의 얼굴에서 PPG 신호를 측정하는 단계
S300: 단계 S100과 단계 S200에서 측정된 각각의 PPG 신호로부터 ECG의 R peak 발생 시각을 연산하는 단계
S400: 단계 S100에서 측정된 신체말단부에서의 PPG 신호와 단계 S300에서 연산된 ECG R peak 발생 시각으로부터 PTT를 산출하는 단계
S500: 단계 S400에서 산출된 PTT 값으로부터, 측정 대상자의 혈압을 연산하는 단계
S600: 단계 S500에서 연산된 혈압을 디스플레이 화면에 표시하는 단계
Claims (20)
- 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템으로서,
혈압 측정 대상자(이하, 측정 대상자라 한다)의 신체말단부에서 신체 접촉식으로 PPG 신호를 측정하는 제1 PPG 측정부(100);
상기 측정 대상자의 얼굴에서 카메라를 이용하여 신체 비접촉식으로 PPG 신호를 측정하는 제2 PPG 측정부(200);
상기 제1 PPG 측정부(100)와 상기 제2 PPG 측정부(200)에서 측정된 각각의 PPG 신호로부터 ECG의 R peak 발생 시각을 연산하는 ECG R peak 시각 연산부(300);
상기 제1 PPG 측정부(100)에서 측정된 신체말단부에서의 PPG 신호와 상기 ECG R peak 시각 연산부(300)에서 연산된 R peak 발생 시각으로부터 PTT 값을 산출하는 PTT 산출부(400);
상기 PTT 산출부(400)에서 산출된 PTT 값으로부터, 상기 측정 대상자의 혈압을 연산하는 혈압 연산부(500); 및
상기 혈압 연산부(500)에서 연산된 혈압을 디스플레이 화면에 표시하는 디스플레이부(600)를 포함하되,
상기 제2 PPG 측정부(200)는,
상기 카메라에서 촬영된 상기 측정 대상자의 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 대상 영역 선택부(210);
상기 대상 영역 선택부(210)에서 선택된 대상 영역에서 반사되어 나온 광신호를, 상기 카메라에서 촬영된 영상의 각 프레임별로 검출하는 광신호 검출부(220);
상기 광신호 검출부(220)에서 검출된 광신호를 전하로 변환시키는 광전변환부(230);
상기 광전변환부(230)에서 전하로 변환된 신호로부터 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하는 연산부(240);
상기 연산부(240)에서 연산된 혈류량 변화 신호를 주파수 신호로 변환시켜 PPG 신호로 출력하는 주파수 신호 변환부(250); 및
상기 주파수 신호 변환부(250)에서 변환된 PPG 신호를 가공하는 제어부(260)를 포함하고,
상기 대상 영역 선택부(210)는,
상기 카메라에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 인식하는 얼굴 인식부(211);
상기 얼굴 인식부(211)에서 인식된 얼굴에서 모든 특징점을 검출하는 특징점 검출부(212);
상기 특징점 검출부(212)에서 검출된 특징점 중 광신호 추출에 효과적인 유효 특징점만 추출하는 유효 특징점 추출부(213); 및
상기 유효 특징점 추출부(213)에서 추출된 유효 특징점으로부터 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하는 대상 영역 결정부(214)를 포함하며,
상기 대상 영역 결정부(214)는,
모세혈관의 밀집 정도, 표정에 의한 움직임 정도 및 프레임 내에서 얼굴 움직임에 따른 영향을 고려하여, 코의 일측에 위치한 유효 특징점, 귀의 하단에 위치한 유효 특징점, 및 입의 일측에 위치한 유효 특징점을 연결하는 직선으로 둘러싸인 삼각형의 영역을 상기 대상 영역으로 결정하고,
상기 대상 영역 선택부(210)는,
상기 카메라에서 촬영된 영상으로부터 측정 대상자의 얼굴을 인식하기에 부적합하거나, 측정 대상자의 얼굴에서 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하기에 부적합한 경우, 상기 측정 대상자의 얼굴 영상 재획득을 요구하며,
상기 연산부(240)는,
상기 광전변환부(230)에서 전하로 변환된 신호의 세기를 x,y 좌표상의 픽셀값으로 저장하고, 상기 대상 영역을 기설정된 혈류량이 일정하다고 볼 수 있는 작은 영역으로 나누어, 나누어진 각각의 작은 영역에서의 상기 x,y 좌표상의 픽셀값의 평균값을 연산한 후에 시간에 따른 상기 평균값 변화를 추적함으로써, 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하며,
상기 제어부(260)는,
상기 주파수 신호 변환부(250)에서 변환된 PPG 신호에서 노이즈 또는 잡음을 필터링하여, 밴드패스 필터를 사용해 출력되는 PPG 신호의 주파수 범위를 결정하는 필터부(261), 및 상기 필터부(261)에서 노이즈 또는 잡음이 필터링 되어 출력된 PPG 신호를 적절한 이득 값으로 증폭시켜주는 증폭부(262)를 포함하며,
상기 ECG R peak 시각 연산부(300)는,
상기 측정 대상자의 심장에서 신체말단부까지 또는 상기 측정 대상자의 심장에서 얼굴까지의 거리와 맥박전달시간과의 관계를 이용하여 ECG R peak 발생 시각을 연산하고,
상기 PTT 산출부(400)는,
상기 ECG R peak 시각 연산부(300)에서 연산된 ECG R peak 발생 시각과 상기 제1 PPG 측정부(100)에서 측정된 신체말단부에서의 PPG peak 발생 시각 사이의 차이를 구하여 PTT 값을 산출하며,
상기 혈압 연산부(500)는,
혈압을 연산하는 과정에서 가장 많은 영향을 미치는 신체 파라미터인, 상기 측정 대상자의 키 및 PPG 측정 부위와의 거리의 신체정보를 활용하여 연산되는 혈압의 오차를 줄이는 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 제1 PPG 측정부(100)는,
상기 측정 대상자의 신체말단부인 손가락 또는 손목에 장착된 PPG 센서를 이용하여, 신체 접촉식으로 신체말단부에서의 PPG 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 시스템. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 방법으로서,
(1) 측정 대상자의 신체말단부에서 신체 접촉식으로 PPG 신호를 측정하는 단계;
(2) 상기 측정 대상자의 얼굴에서 카메라를 이용하여 신체 비접촉식으로 PPG 신호를 측정하는 단계;
(3) 상기 단계 (1)과 상기 단계 (2)에서 측정된 각각의 PPG 신호로부터 ECG의 R peak 발생 시각을 연산하는 단계;
(4) 상기 단계 (1)에서 측정된 신체말단부에서의 PPG 신호와 상기 단계 (3)에서 연산된 R peak 발생 시각으로부터 PTT를 산출하는 단계;
(5) 상기 단계 (4)에서 산출된 PTT 값으로부터, 상기 측정 대상자의 혈압을 연산하는 단계; 및
(6) 상기 단계 (5)에서 연산된 혈압을 디스플레이 화면에 표시하는 단계를 포함하되,
상기 단계 (2)는,
(2-1) 상기 카메라에서 촬영된 상기 측정 대상자의 영상에서 광신호를 추출할 대상 영역을 선택하는 단계;
(2-2) 상기 단계 (2-1)에서 선택된 대상 영역에서 반사되어 나온 광신호를, 상기 카메라에서 촬영된 영상의 각 프레임별로 검출하는 단계;
(2-3) 상기 단계 (2-2)에서 검출된 광신호를 전하로 변환시키는 단계;
(2-4) 상기 단계 (2-3)에서 전하로 변환된 신호로부터 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하는 단계;
(2-5) 상기 단계 (2-4)에서 연산된 혈류량 변화 신호를 주파수 신호로 변환시켜 PPG 신호로 출력하는 단계; 및
(2-6) 상기 단계 (2-5)에서 변환된 PPG 신호를 가공하는 단계를 포함하고,
상기 단계 (2-1)은,
(2-1-1) 상기 카메라에서 촬영된 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을
인식하는 단계;
(2-1-2) 상기 단계 (2-1-1)에서 인식된 얼굴에서 모든 특징점을 검출하는 단계;
(2-1-3) 상기 단계 (2-1-2)에서 검출된 특징점 중 광신호 추출에 효과적인 유효 특징점만 추출하는 단계; 및
(2-1-4) 상기 단계 (2-1-3)에서 추출된 유효 특징점으로부터 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하는 단계를 포함하여 구현되며,
상기 단계 (2-1-4)에서는,
모세혈관의 밀집 정도, 표정에 의한 움직임 정도 및 프레임 내에서 얼굴 움직임에 따른 영향을 고려하여, 코의 일측에 위치한 유효 특징점, 귀의 하단에 위치한 유효 특징점, 및 입의 일측에 위치한 유효 특징점을 연결하는 직선으로 둘러싸인 삼각형의 영역을 상기 대상 영역으로 결정하고,
상기 단계 (2-1)에서는,
상기 카메라에서 촬영된 영상으로부터 측정 대상자의 얼굴을 인식하기에 부적합하거나, 측정 대상자의 얼굴에서 광신호를 추출할 대상 영역을 결정하기에 부적합한 경우, 상기 측정 대상자의 얼굴 영상 재획득을 요구하며,
상기 단계 (2-4)에서는,
상기 단계 (2-3)에서 전하로 변환된 신호의 세기를 x,y 좌표상의 픽셀값으로 저장하고, 상기 대상 영역을 기설정된 혈류량이 일정하다고 볼 수 있는 작은 영역으로 나누어, 나누어진 각각의 작은 영역에서의 상기 x,y 좌표상의 픽셀값의 평균값을 연산한 후에 시간에 따른 상기 평균값 변화를 추적함으로써, 상기 측정 대상자의 피하 혈류량 변화를 연산하며,
상기 단계 (2-6)은,
(2-6-1) 상기 단계 (2-5)에서 변환된 PPG 신호에서 노이즈 또는 잡음을 필터링하여, 밴드패스 필터를 사용해 출력되는 PPG 신호의 주파수 범위를 결정하는 단계; 및
(2-6-2) 상기 단계 (2-6-1)에서 노이즈 또는 잡음이 필터링 되어 출력된 PPG 신호를 적절한 이득 값으로 증폭시켜주는 단계를 포함하여 구현되며,
상기 단계 (3)에서는,
상기 측정 대상자의 심장에서 신체말단부까지 또는 상기 측정 대상자의 심장에서 얼굴까지의 거리와 맥박전달시간과의 관계를 이용하여 ECG R peak 발생 시각을 연산하고,
상기 단계 (4)에서는,
상기 단계 (3)에서 연산된 ECG R peak 발생 시각과 상기 단계 (1)에서 측정된 신체말단부에서의 PPG peak 발생 시각 사이의 차이를 구하여 PTT 값을 산출하며,
상기 단계 (5)에서는,
혈압을 연산하는 과정에서 가장 많은 영향을 미치는 신체 파라미터인, 상기 측정 대상자의 키, 나이, 성별, 몸무게, 및 PPG 측정 부위와의 거리의 신체정보를 활용하여 연산되는 혈압의 오차를 줄이는 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 방법. - 제11항에 있어서, 상기 단계 (1)에서는,
상기 측정 대상자의 신체말단부인 손가락 또는 손목에 장착된 PPG 센서를 이용하여, 신체 접촉식으로 신체말단부에서의 PPG 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는, 카메라를 이용한 비접촉 혈압 측정 방법. - 삭제
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