KR20110067462A

KR20110067462A - 맥박수 측정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20110067462A
Application number: KR1020090124072A
Authority: KR
Inventors: 오정택; 박영철; 민세동; 이민형
Original assignee: 삼성전자주식회사; 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2011-06-22
Also published as: US20110144461A1; US20110144460A1; KR101276973B1

Abstract

본 발명은 생체 신호 측정 장치의 맥박수 측정에 관한 것으로, 센서에 의해 수집된 생체 신호를 노치 필터의 입력 신호로 인가하고, 상기 노치 필터의 상기 생체 신호의 추적 결과에 따라 상기 노치 필터의 필터 계수를 적응적으로 변경하고, 상기 노치 필터의 필터 계수에 대응하는 맥박수를 산출한다.

생체 신호, 노치 필터, 맥박수

Description

맥박수 측정 방법 및 장치{PULSE FREQUENCY MEASUREMENT METHOD AND APPARATUS}

본 발명은 맥박수 측정에 관한 것으로, 특히, 생체 신호를 이용해 맥박수를 측정할 때 생체 신호에 잡음이 포함된 경우에도 정확한 맥박수를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

생체 검사 장치는 피검체(예, 인체의 심장)에서 발생하는 미세한 활동 전류, 활동 전류의 전기적 변화 등을 수집, 분석하여, 해당 피검체에 대한 다양한 생체 정보를 소정의 검시자가 인지할 수 있는 형태로 제시(표시)하는 장치이다. 예를 들어, 생체 검사 장치는 검사 대상인 피검체에 측정용 전극을 접촉시키고, 상기 측정용 전극으로 유도되는 전압의 변화를 해석하여ECG(electrocardiogram) 또는 PPG(Photoplethysmography)와 같은 생체 신호를 수집하고, 이를 이용해 맥박수를 추정하여 제공한다.

생체 신호의 측정을 위해서 생체 검사 장치는, 피검체의 표면에 물리적으로 측정용 전극을 접촉시켜야 한다. 그런데 움직임(motion)이 지속되는 피검체 특성상, 또는 측정용 전극이 설정된 측정 지점에서 벗어나는 등의 문제로 인해, 피검체 의 측정 피검체와 측정용 전극 사이에는 필연적으로 임피던스의 변화가 발생하게 된다.

상기 임피던스의 변화는 생체 검사 장치에서 수집하는 생체 신호에 대한 잡음, 예를 들어, 사용자 동잡음 또는 센서 접촉 잡음으로서 작용할 수 있어, 측정된 생체 신호에 대한 파형 왜곡을 발생시킬 수 있다. 이로 인해 잘못된 결과가 도출될 수 있다. 예를 들어, 맥박 수는, 맥박과 관련된 생체 신호의 피크 간격을 이용해 계산되는데, 신체 신호에 잡음이 중첩되게 되면, 신체 신호의 정확한 피크 값을 파악할 수 없다. 이에 따라 부정확한 맥박수가 계산되어 신체 상태 판단에 오류를 유발시킬 수 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 어떠한 주변 환경에서도 보다 정확한 생체 신호를 검출할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 생체 신호에 잡음이 포함되어 있더라도 보다 정확한 맥박수를 측정할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.

그리고 본 발명은 생체 신호 처리 과정에서 발생할 수 있는 신호 손실(degeneration) 구간을 보정할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.

한편, 본 발명은 생체 신호 측정 장치의 맥박수 측정 방법에 있어서, 센서에 의해 수집된 생체 신호를 노치 필터의 입력 신호로 인가하는 과정과, 상기 노치 필터의 상기 생체 신호의 추적 결과에 따라 상기 노치 필터의 필터 계수를 적응적으로 변경하고, 상기 노치 필터의 필터 계수에 대응하는 맥박수를 산출하는 과정을 포함한다.

그리고 본 발명은 상기 맥박수를 산출하기 위해, 상기 노치 필터의 입력 신호 및 출력 신호를 이용하여 상기 생체 신호의 손실 구간을 판단하는 단계와, 상기 노치 필터에 의해 추적된 생체 신호의 전력을 측정하여, 임펄스 노이즈 신호가 유입된 임펄스 노이즈 구간을 판단하는 단계와, 상기 손실 구간 및 상기 임펄스 노이즈 구간에 상기 노치 필터의 추적 속도를 지연시키는 단계와, 상기 노치 필터의 필터 계수에 따른 맥박수를 산출하는 단계를 포함한다.

또한 본 발명은 생체 신호 측정 시스템의 맥박수 측정 장치가 센서에 의해 수집된 생체 신호가 노치 필터의 입력 신호로 인가되면, 상기 노치 필터의 상기 생체 신호의 추적 결과에 따라 상기 노치 필터의 필터 계수를 적응적으로 변경하고, 상기 노치 필터의 필터 계수에 대응하는 맥박수를 산출하는 생체 신호 처리부와, 상기 생체 신호 처리부로부터 출력되는 상기 맥박수를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함한다.

그리고 상기 생체 신호 처리부는 상기 노치 필터의 입력 신호 및 출력 신호를 이용하여 상기 생체 신호의 손실 구간을 판단하는 손실 구간 검출부와, 상기 노치 필터에 의해 추적된 생체 신호의 전력을 측정하여, 임펄스 노이즈 신호가 유입된 구간을 판단하는 임펄스 노이즈 검출부와, 상기 손실 구간 및 상기 임펄스 노이즈 구간에 상기 노치 필터의 추적 속도를 지연시키는 계수 조정부와, 상기 노치 필터의 필터 계수에 따른 맥박수를 산출하는 생체 신호 결정부를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명은 생체 신호 측정시 효과적으로 잡음을 제거하거나, 잡음이 존재하더라도 가능한 정확한 생체 신호를 예측함으로써, 어떠한 주변 환경에서도 비교적 정확한 생체 신호를 측정할 수 있다. 그리고 본 발명은 생체 신호 처리 과정에서 발생할 수 있는 신호 손실(degeneration) 구간을 보정함으로써, 좀더 정확한 맥박수를 계산할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

ECG 또는 PPG와 같은 생체신호에 대한 지속적인 모니터링을 통하여 맥박수를 측정하거나, 생체 신호의 피크 검출 방식으로 얻어진 피크 간격의 시간으로부터 맥박수를 측정하는 기존의 방식은 운동 중에 발생하는 사용자 동잡음, 센서 접촉 잡음 등과 같은 잡음 환경에 영향을 받아 부정확한 결과를 초래한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명은 노치 필터(notch filter)를 이용하여 생체 신호를 추적하고, 잡음이 존재하거나 비정상적인 신호 구간을 파악하여, 해당 구간의 생체 신호를 적정하게 추정함으로써, 보다 정확한 맥박수를 검출할 수 있게 한다.

본 발명의 실시예에 따라 생체 신호 측정 장치는 검출된 생체 신호에 포함된 동잡음 신호를 제거하기 위한 적응 필터링하는 전처리 과정을 수행하고, 전처리된 생체신호를 노치 필터, 예를 들어, 2차 IIR(Infinite impulse response) 적응 노치 필터에 입력시키고, 노치 필터의 필터 계수를 적응적으로 갱신하여 추정된 필터 계수로부터 노치 주파수를 얻어 맥박수로 변환한다.

이러한 생체 신호 측정 장치의 일예를 도1에 도시하였다. 도1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치는 전처리 과정을 수행하는 센서(10), 고역 필터(20), 전력 추정부(30)와, 생체신호 처리부(40), 디스플레이부(100), 경고 발생부(110)를 포함한다.

센서(10)는 피검체(예, 인체의 심장)에서 발생하는 미세한 활동 전류, 활동 전류의 전기적 변화 등을 수집하여 전기 신호로 변환함으로써, 생체 신호를 생성한다. 생체 신호는 고역 필터(20)로 출력된다.

고역 필터(20)는 입력되는 생체 신호에 포함된 동잡음 신호를 제거하기 위한 적응 필터이다. 동잡음은 호흡 등 사용자의 움직임 등으로 인해 발생할 수 있으며, 저주파를 가지기 때문에 고역 필터(20)로 통해 제거될 수 있다. 고역 필터(20)에서 필터링된 생체 신호는 전력 추정부(30)로 입력된다.

전력 추정부(30)는 입력되는 생체 신호의 전력을 추정하여 최소치 이상이면 생체 신호 처리부(40)로 출력하고, 최소치 이하이면 무시한다. 이는 전력 추정부(300)에 입력되는 신호가 최소치 이상의 전력을 가지고 있지 않다면 유효 신호가 아니기 때문이다.

디스플레이부(100)는 생체 신호 처리부(40)에서 입력되는 생체 신호 또는 생체 정보를 디스플레이한다.

생체 신호 처리부(40)는 노치 필터를 이용해 생체 신호를 추적하며, 고역 필터(20)를 통한 전처리 과정에서 손실된 또는 생체 신호 수집 과정에서 물리적 요인으로 손실된 구간의 신호를 추정하여 복구하고, 생체 신호에 남아 있는 잡음 구간에서는 생체 신호만을 추적하여, 최종 생체 신호를 결정하고, 최종 생체 신호를 이용해 맥박수와 같은 생체 정보를 산출하여 디스플레이부(100)로 출력한다.

이에 따라, 생체 신호 처리부(40)는 노치 필터(50), 손실 구간 검출부(60), 임펄스 노이즈 검출부(70), 계수 조정부(80), 생체 신호 결정부(90)를 포함한다.

노치 필터(50)는 입력되는 신호에 대응하는 단일 주파수를 추적하고, 추적된 주파수를 노치시키는 특성을 갖기 때문에, 단일 주파수 특성을 갖는 생체신호, 예를 들어, ECG 신호 또는 PPG 신호의 주파수를 추적하는데 적합하다. 또한 노치 필터(50)의 필터 계수는 노치 주파수를 결정하는 것으로 입력 신호의 주파수에 비례하기 때문에, 필터 계수를 이용해 생체 신호의 주파수를 파악할 수 있고, 이에 따라 맥박수를 쉽게 산출할 수 있다. 따라서 생체 신호 결정부(90)는 적응 노치 필터를 구비하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 2차 IIR 적응 노치 필터를 사용할 수 있다.

본 발명에 따라 전력 추정부(30)에서 출력되는 생체 신호는 노치 필터(50) 의 입력 신호가 된다. 노치 필터(50)는 생체 신호가 입력되면, 입력된 생체 신호를 추적하여, 생체 신호의 주파수를 추정하고, 추정된 주파수에 따라 노치 필터(50)의 필터 계수를 적응적으로 설정함으로써, 입력되는 생체 신호를 필터링한다. 노치 필터(50)의 입력 신호에 대한 추적 속도는 계수 조정부((80)에 의해 결정되며, 노치 필터(50)는 추적된 생체 신호를 임펄스 노이즈 검출부(70)로 출력하고, 필터링된 신호를 손실 구간 검출부(60)로 출력한다.

생체 신호에 포함된 동잡음 신호를 제거하는 전처리 과정에서, 생체 신호의 일부 구간이 동잡음에 의해서 소실될 수 있다. 또는 센서(10)에 의해 생체 신호가 불연속적으로 수집될 수도 있다. 이러한 경우 노치 필터(50)는 추적해야할 입력 신호를 상실하게 되고 이에 따라 발산하거나 크게 변동하게 된다. 또한, 생체 신호에 순간적으로 큰 에너지를 갖는 임펄스 노이즈가 유입될 수 있다. 이때 임펄스 노이즈의 주파수 대역과 생체 신호의 주파수 대역이 중첩되는데, 임펄스 노이즈의 에너지가 더 크기 때문에, 노치 필터(50)는 생체 신호가 아닌 임펄스 노이즈의 주파수를 추적할 수도 있다.

때문에, 본 발명에서는 손실 구간 검출부(60)가 생체 신호가 소실되는 손실(degeneration) 구간을 노치 필터(50)의 입력 신호와 출력 신호의 파워를 비교해서 판단한다. 그리고 임펄스 노이즈 검출부(70)가 큰 에너지의 임펄스 노이즈 유입 구간인 임펄스 노이즈 구간을, 노치 필터(50)에 의해 추적된 입력 신호, 즉, 추적된 생체 신호의 전력에 대해, 서로 다른 어택 타임(attack time)을 적용하여 포락선 추정(envelope estimation)한 신호를 비교해서 판단한다. 또한 손실 구간 검출부(60)와 임펄스 노이즈 검출부(70)는 해당 신호 구간에 대한 손실 구간 또는 임펄 스 구간 여부를 계수 조정부(80)로 통보한다.

손실 구간 또는 임펄스 노이즈 구간이 통보되면, 계수 조정부(80)는 노치 필터(50)의 입력 신호 추적 속도가 감소되도록 필터의 추적 계수를 결정하고, 결정된 추적 계수를 노치 필터(50)에 설정한다. 그리고 계수 조정부(80)는 손실 구간 및 임펄스 노이즈 구간에 대한 정보를 생체 신호 결정부(90)로 출력하여, 최종 생체 신호 및 생체 정보가 결정될 수 있게 한다.

상기한 손실 구간 검출부(60)와 임펄스 노이즈 검출부(70)의 구성의 일 예를 도2 및 도3에 도시하였다. 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 손실 구간 검출부(60)의 구성을 나타낸 도면이다. 도2를 참조하면, 손실 구간 검출부(60)는 입출력 신호 전력 측정기(61)와 전력 비교기(62)를 포함한다.

입출력 신호 전력 측정기(61)는 노치 필터(50)로 입력되는 입력 신호의 전력과 노치 필터(50)에서 출력되는 출력 신호의 전력을 측정하여 전력 비교기(62)로 전달한다.

신호가 존재하지 않고 배경잡음이 백색잡음 형태로 존재한다고 가정하면, 노치 필터(50)가 추적해야 하는 단일 주파수가 존재하지 않기 때문에, 노치 필터(50)는 발산 하거나 잘못된 방향으로 주파수를 추적한다. 반대로 배경잡음이 유색잡음 형태로 존재한다고 가정하면, 유색 잡음의 주파수를 추적하게 되는데, 유색 잡음은 일반적으로 에너지가 크지 않다. 때문에, 노치 필터(50)가 이상적으로 생체 신호만을 노치(notch)한다고 가정했을 때, 생체 신호가 존재하지 않는 손실 구간에서 노치 필터(50)의 입력 신호의 전력과 출력 신호의 전력 비율은 통상적으로 1에 가까 울 것이다.

이에 따라, 전력 비교기(62)는 입력 신호의 전력과 출력 신호의 전력을 비교하여, 입력 신호와 출력 신호의 차이가 미리 정해진 전력 기준치 보다 작으면 손실 구간으로 판단한다. 즉, 출력 신호 전력 대 입력 신호 전력비가 전력 기준치 보다 작으면 손실 구간으로 판단한다. 아래 수학식 1은 본 발명의 일 실시예에 따라, 출력 신호 전력 대 입력 신호 전력 비율을 계산하는 식이다.

여기서, P_y는 출력 신호 전력이고, P_x는 입력 신호 전력이다. 그리고 x는 노치 필터(50)의 입력 신호이고, y는 노치 필터(50)의 출력 신호이다.

그런데, 실제 구현 시 앙상블 평균을 구할 수 없으므로 IIR 평균으로 추정하여 계산된 출력 신호 전력 대 입력 신호 전력비는 다음 수학식 2 내지 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 추정된 입력 신호의 전력이고,

는 추정된 출력 신호의 전력이며, λ는 전력 추정을 위한 스무딩 상수(smoothing factor)이고, x(n)은 노치 필터 (50)의 입력 신호, y(n)은 노치 필터(50)의 출력 신호, ratio는 입력 신호 및 출력 신호의 추정 전력 비율이며, 0에서 1사이의 값을 갖는다.

이에 따라, 전력 기준치는 생체 신호가 존재하는 경우에 산출될 수 있는 출력 신호 전력 대 입력 신호 전력비의 최소치로 정해질 수 있다.

한편, 적응형 이중 노치 필터(50)는 큰 에너지를 가지는 주파수 대역을 추적하기 때문에 생체신호 보다 큰 에너지를 가지는 임펄스 노이즈가 유입되면 필터가 정확한 생체 신호를 추적하는 것에 어려움이 있으며, 임펄스 노이즈를 추적하게 된다. 이에 따라, 임펄스 노이즈 구간에서 순간적으로 실제 사용자의 맥박수 보다 크거나 혹은 적은 맥박수가 산출될 수 있다. 그러나 노치 필터(50)는 일관성 있게 맥박수를 제공해야 하므로 임펄스 노이즈 구간이 판단돼야 한다.

임펄스 노이즈란 순간적으로 예기치 못한 큰 에너지를 갖는 신호가 유입되어 발생하기 때문에, 시간 영역에서는 짧은 시간 동안 주신호 보다 상대적으로 큰 값을 갖는 신호로, 주파수 영역에서는 주파수 대역에 넓게 분포 되어 있는 것으로 나타난다. 그리고 임펄스 노이즈가 유입되면 생체 신호, 즉, 노치 필터(50)의 입력 신호는 순간적으로 큰 에너지를 가지게 되며 입력 신호 전력이 급격하게 변화하게 된다. 본 발명은 이러한 특징을 이용해 임펄스 노이즈 구간을 판단한다.

도3은 본 발명의 일 실시에 따른 임펄스 노이즈 검출부(70)의 구성을 나타낸 도면이다. 임펄스 노이즈 검출부(70)는 생체 신호의 임펄스 노이즈 구간을 노치 필터(50)에 의해 추적된 입력 신호의 전력에 대해, 서로 다른 어택 타임(attack time)을 적용하여 포락선 추정(envelope estimation)한 신호들을 비교해서 판단한다.

다시 말해, 임펄스 노이즈 검출부(70)는 노치 필터(50)에서 입력되는 추적된 입력 신호의 전력을, 서로 다른 두 개의 어택 타임 시정수 를 이용하여 포락선 추정함으로써, 입력 신호 전력에 대해 두 개의 포락선을 추정한다. 그리고 임펄스 노이즈 검출부(70)는 추정된 두 포락선의 비율을 이용하여 임펄스 노이즈 구간을 판단한다. 두 개의 어택 시정수 중, 빠른 어택 타임 시정수가 적용된 포락선은 임펄스 노이즈 구간이 시작되면서 변화폭이 급격하지만, 느린 어택 타임 시정수가 적용된 포락선은 임펄스 노이즈 구간에서 상대적으로 변화폭이 작다는 특징이 있다. 때문에 임펄스 노이즈가 존재하는 구간에는 두 포락선이 일정 기준치 이상 차이가 나며, 본 발명은 이러한 특징을 이용하여 임펄스 노이즈 구간을 판단한다. 이때, 임 펄스 노이즈 구간의 지속 시간을 동일하게 하기 위해서 각 포락선 추정시 동일한 릴리즈 타임을 적용한다.

이에 따라, 임펄스 노이즈 검출부(70)는 도3에 도시된 바와 같이, 제1포락선 검출부(71), 제2포락선 검출부(72), 포락선 비교기(73)를 포함한다. 제1포락선 검출부(71)는 노치 필터(50)에 의해 추적된 입력 신호 전력에 대해 제1어택 타임 시정수가 적용된 포락선을 추정하고, 제2포락선 검출부(72)는 노치 필터(50)에 의해 추적된 입력 신호에 대해 제2어택 타임 시정수가 적용된 포락선을 추정한다. 이때, 제1어택 타임 시정수가 제2어택 타임 시정수 보다 빠른 어택 타임을 가지는 시정수인 것으로 가정한다. 그리고 제1포락선 검출부(71) 및 제2포락선 검출부(72)는 추정된 포락선을 포락선 비교기(73)로 출력한다. 포락선 비교기(73)는 제2포락선 대 제1포락선의 비가 미리 정해진 포락선 기준치를 비교하여, 포락선 기준치 보다 작으면 임펄스 노이즈 구간으로 판단하고, 이를 계수 조정부(80)에 통보한다.

상기한 과정으로, 계수 조정부(80)는 노치 필터(50)의 입력 신호, 즉, 생체 신호의 손실 구간 및 임펄스 노이즈 구간 해당 여부를 통보받을 수 있으며, 이에 따라 노치 필터(50)의 입력 신호 추정 속도를 결정하는 추적 계수를 결정하고, 결정된 추적 계수를 노치 필터(50)에 설정한다.

다시 말해, 계수 조정부(80)는 손실 구간 검출부(60)와 임펄스 노이즈 검출부(70)로부터 현재 노치 필터(50)의 입력 신호가 정상 상태인 것으로 통보받으면, 노치 필터(50)의 추적 계수를 표준값으로 유지한다. 하지만 현재 노치 필터(50)의 입력 신호가 손실 구간 또는 임펄스 노이즈 구간에 해당하는 것으로 통보받으면, 계수 조정부(80)는 노치 필터(50)의 입력 신호 추적 속도가 감소되도록 추적 계수를 결정하고, 결정된 추적 계수를 노치 필터(50)에 설정한다. 그리고 계수 조정부(80)는 손실 구간 및 임펄스 노이즈 구간에 대한 정보를 생체 신호 결정부(90)로 출력한다.

비정상적인 신호 구간에서 노치 필터(50)의 추적 속도를 감소시킴에 따라, 노치 필터(50)의 발산을 방지할 수 있고, 임펄스 노이즈에 대한 무조건적인 추적을 방지하여, 가능한 생체 신호에 근접한 추적을 가능하게 한다.

생체 신호 결정부(90)는 노치 필터(50)의 필터 계수를 실시간으로 파악하고, 필터 계수로부터 노치 주파수를 획득하고, 획득된 노치 주파수를 이용해 맥박수를 산출하고, 산출된 맥박수를 디스플레이부(100)로 출력한다. 다만, 생체 신호가 손실 구간에 해당하는 경우에 생체 신호 결정부(90)는 다시 정상 상태가 될 때까지 손실 구간 이전의 일정 구간 동안 검출된 필터 계수를 이용해 맥박수를 산출한다. 이에 따라 생체 신호 결정부(90)는 최근 정상 상태 동안 검출된 필터 계수를 정해진 기간 동안 저장하고, 갱신한다. 그리고 손실 구간 동안에는 노치 필터(50)의 필터 계수를 비 손실 구간 동안 맥박수 산출시 이용한 필터 계수로 유지하도록, 노치 필터(50)를 제어한다. 또한 생체 신호 결정부(90)는 손실 구간과 임펄스 노이즈 구간 동안에는 경보 발생부(110)를 통해 현재 산출되는 맥박수가 정확한 맥박수가 아닐 수 있음을 경고하는 경고음이 발생되게 한다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 손실 구간에서 노치 필터(50)의 필터 계수를 고정시키지 않고, 단지 입력 신호에 대한 추적 속도가 지연되도록 노치 필터(50)를 제어할 수도 있다. 이 경우에도 손실 구간이 정해진 기간 이상 연속하지 않는다면, 대략적인 손실 구간 추정이 가능하며, 다시 생체 신호가 존재할 때 노치 필터(50)가 빠르게 생체 신호를 추적할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 생체 신호 측정 장치의 동작 과정을 도4에 도시하였다. 도4를 참조하면, 생체 신호 측정 장치는 201단계에서 센서부(10)를 통해 생체 신호를 생성하여, 203단계에서 고역 필터(20)로 인가해 동잡음을 제거한다. 이후, 205단계에서 생체 신호 측정 장치는 동잡음이 제거된 생체 신호를 전력 추정부(30)를 통해 생체 신호 처리부(40)로 입력시켜, 생체 신호가 노치 필터(50)의 입력 신호로 인가되도록 하고 207단계로 진행한다.

207단계에서 생체 신호 측정 장치의 생체 신호 처리부(40)는 노치 필터(50)의 입력 및 출력 신호와, 노치 필터(50)에서 추정된 입력 신호를 이용하여 생체 신호의 손실 구간 및 임펄스 노이즈 구간을 검출한다. 손실 구간 및 임펄스 노이즈 구간을 검출하는 과정은 각각 도5 및 도6에 도시하였다. 도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 손실 구간 검출부(60)의 손실 구간 검출 과정을 나타낸 도면이고, 도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펄스 노이즈 검출부(70)의 손실 구간 검출 과정을 나타낸 도면이다.

도5를 참조하면, 손실 구간 검출부(60)는 301단계에서 노치 필터(50)의 입력 신호 및 출력 신호 각각의 전력을 검출한다. 그리고 손실 구간 검출부(60)는 303단계에서 출력 신호 전력대 입력 신호 전력비와 전력 기준치를 비교하여, 상기 전력비가 전력 기준치 보다 작으면 307단계로 진행하여 현재 입력 신호가 손실 구간에 해당하는 것으로 판단한다. 그리고 손실 구간 검출부(60)는 상기 전력비가 전력 기준치 이상이면 305단계로 진행하여 현재 입력 신호가 비손실 구간에 해당하는 것으로 판단한다.

한편, 도6을 참조하면, 임펄스 노이즈 검출부(70)는 401단계에서 노치 필터(50)에 의해 추정된 입력 신호의 전력에 대해, 추정 속도를 달리하여 제1포락선 추정 및 제2포락선 추정을 한다. 이때, 제1포락선에 대한 추정 속도가 더 빠른 것으로 가정한다. 이후, 임펄스 노이즈 검출부(70)는 403단계에서 제2포락선대 제1포락선비와 포락선 기준치를 비교하여, 상기 포락선비가 포락선 기준치보다 작으면 405단계로 진행하여 임펄스 노이즈 구간으로 판단한다. 만약, 포락선비가 포락선 기준치보다 크면 407단계로 진행하여 비 임펄스 노이즈 구간으로 판단한다.

도4로 돌아와서, 상기 도5 및 도6과 같은 과정으로 손실 구간 및 노이즈 구간이 검출되면 209단계에서 생체 신호 처리부(40)는 노치 필터(50)의 입력 신호에 대한 추적 속도를 정해진 단위만큼 지연시킨다. 그리고 211단계에서 생체 신호 처리부(40)는 손실 구간 바로전의 정상 구간에서 검출된 노치 필터(40)의 필터 계수를 이용하여 손실 구간을 추정하여 최종 생체 신호를 결정하고, 213단계로 진행한다.

그리고 213단계에서 생체 신호 처리부(40)는 노치 필터(50)의 필터 계수를 이용해 맥박수를 산출하여, 213단계에서 생체 정보로 디스플레이부(100)에 디스플레이한다.

도7은 PPG 신호에서 동잡음을 제거할때 PPG 신호도 함께 제거된 손실 구간에 본 발명을 적용하여 최종 결정된 생체 신호의 일예를 나타낸 도면이다. 도7에서 제1파형도(510)는 동잡음이 중첩된 PPG 신호의 시간 영역을 나타내고, 제2파형도(520)는 동잡음 제거시 손실된 PPG 신호의 주파수 영역을 나타내며, 제3파형도(530)는 본 발명에 따라 손실 구간을 추정하여, 최종 추적된 PPG 신호의 주파수 영역을 나타낸다. 제2파형도(520)를 참조하면, 약 330초부터 400초까지 PPG 주파수가 소실된 것을 주파수 영역에서 관찰할 수 있다. 하지만 상기한 본 발명과 같이 PPG 신호를 추적하고, 손실 구간을 추정하면, 제3파형도(530)와 같이, 정상 구간에서는 PPG 신호를 추적하고, 손실 구간에서는 PPG 신호가 이전에 추적된 PPG 주파수에서 크게 벗어나지 않도록 제한함에 따라 손실 구간을 추정할 수 있음은 물론 다시 PPG 신호가 존재할 때 노치 필터(50)가 빠르게 PPG 신호를 추적할 수 있게 한다.

도8은 PPG 신호와 함께 임펄스 노이즈가 함께 유입되는 상태에 본 발명을 적용하여 최종 결정된 생체 신호의 일예를 나타낸 것이다. 도8에서 제4파형도(610)는 임펄스 노이즈가 중첩된 PPG 신호의 시간 영역을 나타내고, 제5파형도(620)는 임펄스 노이즈가 중첩된 PPG 신호의 주파수 영역을 나타내며, 제6파형도(630)는 본 발명에 따라 임펄스 노이즈 구간을 추정하여, 최종 추적된 PPG 신호의 주파수 영역을 나타낸다. 제6파형도(630)를 참조하면, 임펄스 노이즈로 인해 에너지 변화가 급격한 임펄스 노이즈 구간에서도 생체 신호가 안정적으로 추적되고 있음을 확인할 수 있다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위의 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치의 구성을 나타낸 도면,

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 손실 구간 검출부의 구성을 나타낸 도면,

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펄스 노이즈 구간의 구성을 나타낸 도면,

도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치의 동작 과정을 나타낸 도면,

도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 손실 구간 검출부의 동작 과정을 나타낸 도면,

도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펄스 노이즈 구간의 동작 과정을 나타낸 도면,

도7 및 도8은 본 발명의 일 실시예에 따라 노치 필터에 의해 추적된 생체 신호를 나타낸 도면.

Claims

생체 신호 측정 장치의 맥박수 측정 방법에 있어서,

센서에 의해 수집된 생체 신호를 노치 필터의 입력 신호로 인가하는 과정과,

상기 노치 필터의 상기 생체 신호에 대한 추적 결과에 따라 상기 노치 필터의 필터 계수를 적응적으로 변경하고, 상기 노치 필터의 필터 계수에 대응하는 맥박수를 산출하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 맥박수 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 맥박수를 산출하는 과정은

상기 노치 필터의 입력 신호 및 출력 신호를 이용하여 상기 생체 신호의 손실 구간을 판단하는 단계와,

상기 노치 필터에 의해 추적된 생체 신호의 전력을 측정하여, 임펄스 노이즈 신호가 유입된 임펄스 노이즈 구간을 판단하는 단계와,

상기 손실 구간 및 상기 임펄스 노이즈 구간에 상기 노치 필터의 추적 속도를 지연시키는 단계와,

상기 노치 필터의 필터 계수에 따른 맥박수를 산출하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 맥박수 측정 방법.
제2항에 있어서, 상기 생체 신호의 손실 구간을 판단하는 단계는,

상기 입력 신호의 전력과 상기 출력 신호의 전력의 차이가 미리 정해진 전력 차보다 작으면 해당 구간을 손실 구간으로 판단하고, 상기 손실 구간 동안에 상기 손실 구간 이전의 필터 계수를 계속해서 유지하는 단계임을 특징으로 하는 맥박수 측정 방법.
제3항에 있어서, 상기 노치 필터에 의해 추적된 생체 신호의 정상 구간에서 검출된 상기 노치 필터의 필터 계수는 일정 시간 동안 저장되고, 갱신됨을 특징으로 하는 맥박수 측정 방법.
제2항에 있어서, 상기 임펄스 노이즈 구간은 상기 노치 필터에 의해 추적된 생체 신호의 전력에 대해, 서로 다른 어택 타임 시정수를 적용하여 포락선 추정한 두 신호를 비교해서 판단함을 특징으로 하는 맥박수 측정 방법.
제5항에 있어서, 상기 임펄스 노이즈 구간을 판단하는 단계는

상기 노치 필터에 의해 추적된 생체 신호의 전력에 대해 제1어택 타임 시정수 를 적용하여 포락선 추정한 제1포락선을 검출하는 단계와,

상기 노치 필터에 의해 추적된 생체 신호의 전력에 대해, 상기 제1어택 타임 시정수 보다 느린 제2어택 타임 시정수를 적용하여 포락선 추정한 제2포락선을 검출하는 단계와,

상기 제2포락선 대 상기 제1포락선 비가 포락선 기준치 보다 작으면 상기 임펄스 노이즈 구간으로 판단하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 맥박수 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 센서에 의해 수집된 생체 신호는 상기 노치 필터로 인가되기 전에 고역 필터에 의해 동잡음이 제거됨을 특징으로 하는 맥박수 측정 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 생체 신호는 ECG(electrocardiogram) 또는 PPG(Photoplethysmography) 중 하나임을 특징으로 하는 맥박수 측정 방법.
생체 신호 측정 시스템의 맥박수 측정 장치에 있어서,

센서에 의해 수집된 생체 신호가 노치 필터의 입력 신호로 인가되면, 상기 노치 필터의 상기 생체 신호의 추적 결과에 따라 상기 노치 필터의 필터 계수를 적응적으로 변경하고, 상기 노치 필터의 필터 계수에 대응하는 맥박수를 산출하는 생체 신호 처리부와,

상기 생체 신호 처리부로부터 출력되는 상기 맥박수를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함함을 특징으로 하는 맥박수 측정 장치.
제9항에 있어서, 상기 생체 신호 처리부는

상기 노치 필터의 입력 신호 및 출력 신호를 이용하여 상기 생체 신호의 손실 구간을 판단하는 손실 구간 검출부와,

상기 노치 필터에 의해 추적된 생체 신호의 전력을 측정하여, 임펄스 노이즈 신호가 유입된 임펄스 노이즈 구간을 판단하는 임펄스 노이즈 검출부와,

상기 손실 구간 및 상기 임펄스 노이즈 구간에 상기 노치 필터의 추적 속도를 지연시키는 계수 조정부와,

상기 노치 필터의 필터 계수에 따른 맥박수를 산출하는 생체 신호 결정부를 포함함을 특징으로 하는 맥박수 측정 장치.
제10항에 있어서, 상기 손실 구간 검출부는 상기 입력 신호의 전력과 상기 출력 신호의 전력의 차이가 미리 정해진 전력차보다 작으면 해당 구간을 손실 구간으로 판단함을 특징으로 하는 맥박수 측정 장치.
제11항에 있어서, 상기 생체 신호 결정부는 상기 손실 구간 동안에 상기 손실 구간 이전의 필터 계수를 계속해서 유지하도록 상기 노치 필터를 제어함을 특징으로 하는 맥박수 측정 장치.
제12항에 있어서, 상기 노치 필터에 의해 추적된 생체 신호의 정상 구간에서 검출된 상기 노치 필터의 필터 계수는 일정 시간 동안 저장되고, 갱신됨을 특징으로 하는 맥박수 측정 장치.
제10항에 있어서, 상기 임펄스 노이즈 검출부는 상기 노치 필터에 의해 추적 된 생체 신호의 전력에 대해, 서로 다른 어택 타임 시정수 를 적용하여 포락선 추정한 두 신호를 비교해서 상기 임펄스 노이즈 구간을 판단함을 특징으로 하는 맥박수 측정 장치.
제14항에 있어서, 상기 임펄스 노이즈 검출부는 상기 노치 필터에 의해 추적된 생체 신호의 전력에 대해 제1어택 타임 시정수 를 적용하여 포락선 추정한 제1포락선을 검출하고, 상기 노치 필터에 의해 추적된 생체 신호의 전력에 대해, 상기 제1어택 타임 시정수 보다 느린 제2어택 타임 시정수 를 적용하여 포락선 추정한 제2포락선을 검출하고, 상기 제2포락선 대 상기 제1포락선 비가 포락선 기준치 보다 작으면 상기 임펄스 노이즈 구간으로 판단함을 특징으로 하는 맥박수 측정 장치.
제9항에 있어서, 상기 센서에 의해 수집된 생체 신호에서 동잡음을 제거하고 상기 노치 필터로 인가하는 고역 필터를 더 포함함을 특징으로 하는 맥박수 측정 장치.
제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 생체 신호는 ECG(electrocardiogram) 또는 PPG(Photoplethysmography) 중 하나임을 특징으로 하는 맥박수 측정 장치.