KR20090081885A - Method and apparatus for measuring heart rate - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 심박 검출장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 심박 변이도(Heart rate variability ; HRV)를 효과적으로 검출할 수 있는 심박 검출장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for detecting heart rate and a control method thereof, and more particularly, to an apparatus for detecting heart rate and a method of controlling the same, capable of effectively detecting heart rate variability (HRV).
일반적으로, 심박 검출장치는 인체부위에 접촉된 생체신호검출센서를 통해 생체신호를 취득하여 피크 값을 검출하고, 이 피크 값들의 시간 간격으로부터 심박 변이도를 산출한다. 이 심박 변이도를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform ; FFT)을 이용하여 검사자의 감성상태를 파악할 수 있다.In general, the heartbeat detection apparatus acquires a biosignal through a biosignal detection sensor in contact with a human body, detects a peak value, and calculates a heart rate variability from a time interval of the peak values. This heart rate variability can be used to determine the emotional state of the examiner using a Fast Fourier Transform (FFT).
종래 심박 검출장치로서, 대한민국 공개특허공보 제2003-81903호에 개시된 것과 같이, 용적맥파센서부를 사용자로부터 PPG 신호를 획득한 후, 웨이블릿(Wavelet) 변환에 기반한 신호처리방법과 자기 상관 함수에 기한 평균심박산출을 이용하여 PPG 신호에서 후복 심박 시퀀스를 검출하고, 이 후보 심박 시퀀스들 중에서 최적의 심박 시퀀스 또는 평균 심박수를 추출하고 있다.As a conventional heart rate detection device, as disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-81903, after acquiring a PPG signal from a volume pulse sensor part, a signal processing method based on wavelet transform and an average of an autocorrelation function The heart rate calculation is used to detect the repetitive heart rate sequence in the PPG signal, and extract the optimal heart rate sequence or average heart rate from the candidate heart rate sequences.
상기한 공보에서는 웨이블렛 변환방식을 이용하여 고조파 성분을 제거하고, 고주파성분이 제거된 PPG 신호에서 심박과 관련된 신호성분만을 얻도록 임계값을 기준으로 일정 레벨 이상인 값을 클리핑하고, 클리핑된 신호의 자기 상관함수 값을 산출하여 피크를 검출하는 방법을 사용한다.The above publication uses a wavelet transform method to remove harmonics, clip a value above a certain level based on a threshold value to obtain only a signal component related to the heartbeat from a high frequency component-removed PPG signal, The method of detecting peaks by calculating correlation function values is used.
하지만, 웨이블렛 변환 방식 자체가 신호 처리에 있어서 메모리를 많이 차지하고, 빠른 신호 처리가 어려워 연산시간이 많이 소요되는 문제점이 있다. 또한, 고정된 임계치를 이용한 신호의 클리핑은 사람에 따라 생체신호가 주기와 피크가 다르기 때문에 정확한 피크 점을 검출하기 어려운 문제점이 있다. 이로 인해 제대로 된 심박 변이도를 검출할 확률이 그 만큼 낮아지게 된다.However, the wavelet transform method itself occupies a large amount of memory in signal processing, and it is difficult to perform fast signal processing, which requires a lot of computation time. In addition, clipping of a signal using a fixed threshold has a problem in that it is difficult to detect an accurate peak point because a biosignal has a different period and a peak according to a person. This lowers the probability of detecting a true heart rate variability.
따라서, 본 발명의 목적은 생체신호를 웨이블릿 방식 대신에 주기검출방식을 이용하여 피크 점을 검출함으로서 메모리 양과 연산시간을 줄일 수 있고 피크 점을 보다 정확히 검출할 수 있는 심박 검출장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to detect a peak point using a periodic detection method instead of a wavelet method to reduce the amount of memory and computation time and to detect the peak point more accurately, and a control method thereof. To provide.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심박 검출방법은 생체신호를 검출하는 단계와, 상기 검출된 생체신호를 일정 데이터 크기인 윈도우 단위로 저장하는 단계와, 상기 윈도우에서 임계치를 적용하여 상기 생체신호의 주기를 확인하는 단계와,상기 확인된 주기에서 상기 생체신호의 피크 점을 추출하는 단계와, 상기 추출된 피크 점의 시간정보를 이용하여 심박 변이도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The heart rate detection method of the present invention for achieving the above object is a step of detecting a bio-signal, storing the detected bio-signal in a window unit of a certain data size, by applying a threshold value in the window the bio-signal The method may include checking a period of time, extracting a peak point of the biosignal in the identified period, and calculating a heart rate variability using time information of the extracted peak point.
또한, 본 발명의 심박 검출장치는 사용자의 생체신호를 검출하는 생체신호검출부와, 상기 검출된 생체신호를 일정 데이터 크기인 윈도우 단위로 저장하는 저장부와, 상기 검출된 생체신호를 상기 윈도우가 될 때까지 상기 저장부에 저장하고, 상기 윈도우에서 상기 생체신호의 주기를 확인하고, 상기 확인된 주기에서 상기 생체신호의 피크 점을 추출하고, 상기 추출된 피크 점을 이용하여 심박 변이도를 산출하는 제어를 수행하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the heart rate detection apparatus of the present invention is a bio-signal detection unit for detecting a user's bio-signal, a storage unit for storing the detected bio-signal in a window unit of a certain data size, and the detected bio-signal to be the window Control to store in the storage unit, confirm the period of the bio-signal in the window, extract the peak point of the bio-signal in the identified period, and calculate the heart rate variability using the extracted peak point. It characterized in that it comprises a control unit for performing.
본 발명에 따르면, 사용자로부터 생체신호를 획득하고, 주기검출방법을 이용하여 생체신호의 피크 점을 찾아내고 이로부터 신뢰성 있는 심박 변이도를 산출함으로써 종래의 웨이블릿 변환방법을 이용하여 생체신호의 피크 점을 찾아내는 방식보다 메모리의 사용량과 연산시간을 줄일 수 있으며, 생체신호의 변화에 대응이 빠르고, 피크 점을 보다 빠르고 정확히 검출할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the peak point of the biosignal is obtained using a conventional wavelet transform method by acquiring a biosignal from a user, finding a peak point of the biosignal using a periodic detection method, and calculating a reliable heart rate variability therefrom. The memory usage and computation time can be reduced, and the response to the change in the biosignal is faster and the peak point can be detected more quickly and accurately than the finding method.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 심박 검출장치의 제어블록도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 심박 검출장치는 사용자로부터 생체신호를 검출하는 생체신호검출부(10, 11)로서의 심전도센서(10) 및 광전용적맥파센서(11)와, 제어부(20)와, 모니터링부(30) 및 저장부(40)를 포함하여 이루어진다.1 is a control block diagram of a heartbeat detection apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, an apparatus for detecting heart rate according to an embodiment of the present invention includes an
심전도센서(10)는 심박동의 주기중에 일어나는 심장의 전기적 활동사태를 나타내는 심전도(Electrodiogram ; ECG)신호를 검출한다.The
광전용적맥파센서(11)는 심장 박동에 따른 혈관 굴기의 변화에 따라 빛의 흡 수 및 반사 정도가 변화하는 원리를 이용한 것으로서, 적외선 방출하는 발광부와 발광부로부터 사용자의 신체로 조사되어 반사된 빛을 감지하는 수광부로 구성되어 있으며, 수광부에서 출력되는 시간에 따른 광혈류량의 변화로부터 광전용적맥파(Photoplethysmography ; PPG) 신호를 검출한다.The photoelectric
제어부(20)는 A/D 신호취득부(21)와, 신호처리부(22)와, 연산부(23)를 구비한다.The
A/D 신호취득부(21)는 심전도센서(10)와 광전용적맥파센서(11)로부터의 생체신호를 A/D 처리하기 위한 것으로, 아날로그 신호 형태인 생체신호를 디지털 신호로 변환함으로써 샘플링 주파수가 높을수록 많은 신호의 취득이 가능하다.The A / D
신호처리부(22)는 A/D 신호취득부(21)에 의해 취득된 생체신호를 가공하고 주기에 따라 피크 점을 검출하기 위한 신호처리를 수행한다.The
연산부(23)는 신호처리부(22)에 의해 검출된 피크 점으로부터 심박 변이도를 산출한다.The
상기한 구성요소를 갖는 제어부(20)는 A/D 신호취득부(21)를 통해 ECG 신호와 PPG 신호 등의 생체신호를 취득한다.The
그리고, 제어부(20)는 각각의 생체신호의 데이터 크기가 일정 크기(윈도우)가 될 때까지 저장부(40)에 저장한다.The
그런 후 제어부(20)는 신호처리부(22)를 통해 생체신호의 노이즈 등을 제거하기 위한 연산을 수행함과 함께 주기를 확인하기 위한 신호처리 및 확인된 주기 내의 피크 점을 찾기 위한 신호처리를 수행한다.Thereafter, the
이렇게 해서 주기 내에 피크 점들이 찾아지면 제어부(20)는 자체 내의 연산부(23)를 통해 피크 점이 발생한 시간정보로부터 심박 변이도를 산출한다.In this way, if the peak points are found within the period, the
제어부(20)는 이러한 생체신호에 대한 일련의 모니터링 결과는 모니터링부(30)를 통해 표시해준다.The
상기한 제어부(20)의 작동을 좀더 자세히 살펴보면, 제어부(20)는 생체신호를 감지하고, 감지된 생체신호가 일정 데이터 크기인 윈도우가 될 때까지 저장하고, 윈도우에서 생체신호의 주기를 확인한다. 이때, 이전 윈도우에서 추출된 피크 점들의 평균값을 산출하고, 산출된 평균값의 1/N의 값을 임계치로 설정하고, 설정된 임계치를 기준으로 생체신호의 제로크로싱 포인트(Zerocrossing point)를 검출하고, 검출된 제로크로싱 포인트들의 시간 지수를 저장하고, 저장된 시간 지수 중 이웃하는 시간 지수간의 시간 간격을 생체신호의 주기로 결정한다.Looking at the operation of the
주기 확인 후 제어부(20)는 확인된 주기에서 생체신호의 피크 점을 추출하고, 추출된 피크 점의 시간정보를 이용하여 심박 변이도를 산출한다. 이때, 확인된 주기값과 이전 윈도우의 평균 주기값을 비교하여 주기값이 평균 주기값 이상이면, 확인된 주기를 정상 주기로 판단하고, 그렇지 않은 경우에는 비정상 주기로 판단하여 다시 주기를 확인한다. 또한, 확인된 주기가 정상 주기인 경우, 확인된 주기에서 생체신호의 피크 점을 추출하고, 추출된 피크 점의 시간 정보를 이용하여 심박 변이도를 산출한다.After checking the period, the
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 심박 검출방법에 대한 제어흐름도를 도시한 것이다. 도 2를 살펴보면, 먼저, 제어부(20)는 일정시간마다 생체신호를 검출한 다(100). 생체신호는 ECG인 경우, 도 3과 같은 파형으로 나타난다.Figure 2 shows a control flow chart for the heart rate detection method according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, first, the
제어부(20)는 검출된 생체신호의 데이터 크기가 일정크기가 될 때까지 저장부(40)에 저장한다(110). 이 일정크기를 윈도우라고 정의하면, 검출된 생체신호의 데이터 크기가 윈도우만큼 저장되면(120) 신호처리를 수행한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제어부(20)는 4ms 마다 각 채널별 생체신호의 데이터를 1개씩 취득한다. 4ms 마다 1개의 데이터를 취득한 후 그 데이터수가 일예로, 512개가 되면, 신호처리를 수행한다. 후술하겠지만, 신호처리 후 한 개의 윈도우 내에서 피크 점을 추출하고, 총 추출된 피크 점이 일예로, 32개가 되면, FFT 를 수행하여 심박 변이도를 산출한다.The
취득된 데이터를 신호처리하기 위한 방식으로 생체신호의 주기를 검출하여 주기 내의 피크 점을 추출하는 방법을 사용하는 데, 그러기 위해서는 한 개의 윈도우 내에서 생체신호의 주기를 확인하여야 한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 주기의 확인은 생체신호의 부호가 임계치를 기준으로 생체신호의 부호가 (-)에서 (+)로 변하는 시점을 제로크로싱 포인트(Zerocrossing Point)로 판단한다. 특히 생체신호의 부호가 (-)에서 (+)로 변할 때 상승 에지(rising edge)라고 판단한다. 이때의 시간 지수(time index)를 기준으로 다음 (-)에서 (+)가 검출 될 때까지 한 주기라고 판단한다. 이때의 한 주기는 상승 에지에서 다음 상승 에지 까지를 의미한다.As a method for signal processing the acquired data, a method of detecting a period of a biosignal and extracting peak points within the period is used. In order to do so, a period of the biosignal must be identified within a window. As shown in FIG. 5, the confirmation of the period determines the point of time when the sign of the biosignal is changed from (−) to (+) as a zero crossing point as a zero crossing point. In particular, when the sign of the biological signal changes from (-) to (+), it is determined that it is a rising edge. Based on the time index at this time, it is determined that it is one cycle until (+) is detected in the next (-). One period at this time means the rising edge to the next rising edge.
그러나 생체신호가 도 5에 도시된 바와 같이, 임계치가 낮게 설정된 경우에는 한 주기 내에서도 제로크로싱 포인트가 다수 개 발생한다. 따라서, 정상 주기의 제로크로싱 포인트(X)를 제외한 나머지 제로크로싱포인트들(△)이 검출되지 않도록 이러한 점들을 제외시켜 주는 방법을 사용한다. 이에 따라, 작은 피크 점을 동반하는 유효하지 않은 제로크로싱 포인트들(△)을 제외시킬 수 있고, 유효한 제로크로싱 포인트만(X)을 추출할 수 있다.However, as shown in FIG. 5, when the threshold is set low, a plurality of zero crossing points are generated within one period. Therefore, a method of excluding these points so that the remaining zero crossing points Δ are not detected except the zero crossing point X in the normal period. Accordingly, it is possible to exclude the invalid zero crossing points Δ with small peak points, and extract only the valid zero crossing points X.
즉, 일정 수치 이상인 값만 통과시켜 실제로 주기 내의 최대값 만을 검출할 필요가 있다. 이를 위해 임계치는 이전 윈도우의 데이터를 이용하는 데, 이전 윈도우에서 추출된 실제 피크 점들의 크기값을 평균하고(130), 이 평균값의 1/N의 값을 임계치로서 설정한다(140). 이때, 최초의 제어 시에는 상기한 평균값을 얻을 수 없으므로, 미리 설정된 값을 임계치로 설정한다. 여기서, N은 미리 설정된 상수이다.In other words, it is necessary to pass only a value greater than or equal to a certain value and actually detect only the maximum value within the period. To this end, the threshold uses the data of the previous window, and averages the magnitude values of the actual peak points extracted from the previous window (130), and sets the value of 1 / N of the average value as the threshold (140). At this time, the above average value cannot be obtained at the time of the first control, so the preset value is set as the threshold. Where N is a preset constant.
임계치를 설정한 후 저장부(40)에 저장된 생체신호에 임계치를 적용한다(150). 생체신호에 임계치가 적용되어 생체신호에서 임계치를 빼게 되면, 임계치 값이 생체신호의 "0" 레벨이 되고, 유효하지 않는 제로크로싱 포인트들(△)은 도 6에 도시된 바와 같이, "0" 레벨 이하의 값이 된다. 이러한 임계치 설정은 사용자마다 생체신호의 피크 점의 크기가 다르더라도 고정된 임계치가 아닌 이전의 피크 점에 따른 유동적인 임계치이기 때문에 유효한 제로크로싱 포인트(X)를 추출하는 데 보다 효과적이다.After setting the threshold, the threshold is applied to the biosignal stored in the storage 40 (150). When the threshold is applied to the biosignal to subtract the threshold from the biosignal, the threshold value becomes the "0" level of the biosignal, and the zero crossing points Δ that are not valid are "0" as shown in FIG. The value is below the level. Such a threshold setting is more effective in extracting a valid zero crossing point X even though the size of the peak point of the biosignal differs from user to user, because it is not a fixed threshold but a floating threshold according to a previous peak point.
임계치를 생체신호에 적용한 후 임계치를 기준으로 생체신호의 제로크로싱 포인트를 추출하고, 현재 윈도우 내에서 추출되는 여러 제로크로싱 포인트를 이용하여 생체신호의 주기를 확인한다(170). 즉, 이웃하는 제로크로싱 포인트의 시간지수 간의 차이를 산출하여 이를 주기로 결정한다.After applying the threshold to the biosignal, a zero crossing point of the biosignal is extracted based on the threshold, and the period of the biosignal is checked using various zero crossing points extracted in the current window (170). That is, the difference between time indexes of neighboring zero crossing points is calculated and determined as a period.
주기가 확인되면, 확인된 주기가 정상 주기인지를 판단한다(180). 즉, 이전 윈도우에서의 평균 주기값을 산출하고, 산출된 평균 주기값과 현재의 윈도우 내에서 확인된 주기값을 비교하여 확인된 주기값이 평균 주기값의 1/M 이상인 값들만을 주기라고 판단한다. 여기서, M은 미리 설정된 상수이다. 그런 후 확인된 주기가 정상 주기인 경우에는 이 주기에서의 제로크로싱 포인트를 추출하고, 추출된 제로크로싱 포인트의 시간 지수를 저장부(40)에 저장한다(190).If the cycle is confirmed, it is determined whether the checked cycle is a normal cycle (180). That is, the average period value in the previous window is calculated, and the calculated period value is compared with the calculated period value in the current window, and it is determined that the identified period value is a period of only 1 / M or more of the average period value. do. Where M is a preset constant. Then, if the checked period is a normal period, the zero crossing point in the period is extracted, and the time index of the extracted zero crossing point is stored in the storage 40 (190).
이러한 상태에서 저장된 제로크로싱 포인트의 시간 지수를 이용하여 시간 지수[n+1] - 시간 지수[n] 사이의 신호의 최대값을 주기 내 피크 점으로 추출한다(200). 또한, 마지막 제로크로싱 포인트부터 윈도우의 끝까지는 생체신호의 가장 큰 값을 기억하고, 다음 윈도우의 시작 제로크로싱 포인트가 될 때까지 이를 비교하고, 주기 내 가장 큰 값을 피크 점으로 추출한다. 즉, 이전 윈도우에서 현재 윈도우로 윈도우가 변경되는 시점일 경우, 윈도우의 시작점으로부터 최대값이 되는 점을 피크 점이라고 판단할 수 있기 때문에 실제 피크 점이 아님에도 피크 점이라고 잘못 판단할 우려가 있다.In this state, the maximum value of the signal between the time index [n + 1] and the time index [n] is extracted as the peak point within a period by using the time index of the zero crossing point stored in this state. Also, from the last zero crossing point to the end of the window, the largest value of the biosignal is stored, compared to the first zero crossing point of the next window, and the largest value in the period is extracted as the peak point. That is, when the window is changed from the previous window to the current window, since the maximum point from the start point of the window can be determined as the peak point, there is a fear that the peak point is incorrect even though it is not the actual peak point.
이를 방지하기 위해 이전 윈도우에서 생체신호의 마지막 제로크로싱 포인트와 현재의 윈도우에서 생체신호의 시작 제로크로싱 포인트사이의 시간 지수를 저장하고, 이전 피크 점들의 평균값을 이용하여 해당 구간의 최대값이 평균값 이상인 점만 피크 점으로 추출되도록 한다.To prevent this, the time index between the last zero crossing point of the biosignal in the previous window and the starting zero crossing point of the biosignal in the current window is stored, and the maximum value of the corresponding interval is greater than the average value using the average value of the previous peak points. Ensure that only points are extracted as peak points.
그 외의 경우는 제로크로싱 포인트의 시간 지수 사이의 데이터를 비교하여 최대값을 피크 점으로 추출한다.In other cases, the maximum value is extracted as a peak point by comparing data between time exponents of zero crossing points.
그런 후 상기한 신호처리로부터 얻어진 피크 점들의 시간 지수를 저장부(40) 에 저장하고(210), 이들의 차를 이용하여 심박 변이도를 산출한다(220).Then, the time index of the peak points obtained from the above-described signal processing is stored in the storage 40 (210), and the heart rate variability is calculated using these differences (220).
이 후 도 7에 도시된 바와 같이, 생체신호에 대한 모니터링결과를 모니터링부(30)를 통해 표시한다.Thereafter, as shown in FIG. 7, the monitoring result of the biosignal is displayed through the
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 심박 검출장치의 제어블록도이다.1 is a control block diagram of a heart rate detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 심박 검출방법에 대한 제어흐름도이다.2 is a control flowchart of a heart rate detection method according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 2에서 검출된 생체신호를 보인 도면이다.3 is a diagram illustrating a biosignal detected in FIG. 2.
도 4는 도 2에서 검출된 생체신호가 윈도우 단위로 저장되는 것을 보인 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating that the biosignal detected in FIG. 2 is stored in units of windows.
도 5는 도 2에서 제로크로싱 포인트를 이용한 생체신호의 주기를 확인하는 것을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 5 is a diagram for describing checking a period of a biosignal using a zero crossing point in FIG. 2.
도 6은 도 2에서 유동적 임계치를 이용한 피크 점 검출을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 6 is a diagram for describing peak point detection using a fluid threshold in FIG. 2.
*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main functions of the drawings *
10 : ECG 센서 11 : PPG 센서10: ECG sensor 11: PPG sensor
20 : 제어부 21 : A/D 신호취득부20: control unit 21: A / D signal acquisition unit
22 : 신호처리부 23 : 연산부22: signal processor 23: calculator
30 : 모니터링부 40 : 저장부30: monitoring unit 40: storage unit
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