KR20170120546A - Method and system for extracting Heart Information of Frequency domain by using pupil size variation - Google Patents

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Abstract

본 발명의 방법:은 피험자의 동공을 촬영하는 단계; 동공의 크기 변화율을 추출하는 단계; 그리고 상기 변화율을 이용해 심장의 시간 영역의 정보를 추출하는 단계;를 포함한다.The method of the present invention comprises: photographing a pupil of a subject; Extracting a change rate of a pupil size; And extracting information on the time domain of the heart using the rate of change.

Description

동공 크기 변화를 이용한 심장 주파수 영역의 정보 추출 방법 및 그 장치{Method and system for extracting Heart Information of Frequency domain by using pupil size variation}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a method and apparatus for extracting cardiac frequency domain information using a change in pupil size,

본 발명은 동공 크기 변화율을 이용한 파수 영역에서의 심장 정보 추출하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for extracting cardiac information in a wavenumber region using a pupil size change rate.

생체신호 모니터링 기술 (VSM, Vital Sign Monitoring)은 사용자의 신체에 부착된 센서를 이용하여 생체정보를 취득하는 기술은 의미한다. 센서를 통해 취득하는 사용자의 생체 정보는 맥박, 혈압, 심전도, 체온 등이 있다. 사용자로부터 취득된 생체정보는 U-healthcare 산업 (Wellness IT), 감성 ICT 산업 (Emotion Marketing, Services, Therapy 등), 보안 산업, 교육 산업 등의 다양한 산업분야에 적용되어 응용 및 부가가치 창출한다. 또한, 이는 산업간 융복합 및 제품·서비스의 가치혁신을 통해 기존 제품과 전혀 다른 기능·형태의 새로운 제품 및 서비스 제공이 가능하다 (장병준 & 최선웅, 2008; 더힘스 & 박승훈, 2013; 정혜실, 2014).Vital Sign Monitoring (VSM) refers to a technique for acquiring biometric information using a sensor attached to a user's body. Biometric information of the user acquired through the sensor includes pulse, blood pressure, electrocardiogram, body temperature and the like. The biometric information obtained from the user is applied to a variety of industrial fields such as U-healthcare industry, Emotion Marketing, Services, Therapy, security industry, education industry, etc. to create application and added value. In addition, it is possible to provide new products and services with functions and forms completely different from those of existing products through the innovation of value-added products and services in the industry (Jung Byung Joon & Choi Seon Hoon, 2008; 2014).

기존의 생체신호 모니터링 기술은 사용자에 생체 반응을 취득하기 위해 센서를 신체에 부착하는 비현실적 센싱 방법으로 산업분야에 적용하는데 그 한계가 있다. 따라서, 인체에 접촉하지 않고 고통을 주지 않으며 사용자의 활동에 지장을 주지 않도록 의식하지 못하는 가운데 생체정보를 측정하는 무구속/무자각 센싱 기술이 필요한 실정이다 (더힘스 & 박승훈, 2013). 이에 따라, 최근 카메라 기술을 이용해 사용자의 생체정보를 추론하는 기술이 개발되고 있다. 카메라를 이용한 생체 정보 추론 기술은 완전한 무구속/무자각 생체신호 센싱 기술로 볼 수 있다. MIT media lab에서 심장에서 얼굴로 유입되는 혈액에 따라 미세하게 나타나는 얼굴의 색상정보를 분석하고 이를 통해 심장 박동을 추론하는 기술을 개발하였다 (Poh et al., 2011). 또한, MIT CSAIL lab에서는 심장에서 머리로 혈액이 유입되는 과정에서 머리의 미세 움직임이 발생하고 머리의 미세 움직임을 PCA 분석을 통해 심장관련 주파수 영역을 찾아냄으로써, 심장박동을 추론하는 기술을 보고하였다 (Balakrishnan et al., 2013).Conventional bio-signal monitoring technology is an unrealistic sensing method of attaching a sensor to a body in order to acquire a biological response to a user. Therefore, there is a need for non-restraint / non-self-sensing technology that measures biometrics while not being in contact with the human body and not giving any pain and not interfering with the user's activities (The Twins & Park Seung Hoon, 2013). Accordingly, techniques for inferring biometric information of a user using camera technology have been developed. The bioinformatic inference technique using a camera can be regarded as a completely non-constrained / noninvasive biological signal sensing technology. The MIT media lab developed a technique for inferring the heartbeat by analyzing the color information of the face that appears finely according to the blood flowing from the heart to the face (Poh et al ., 2011). The MIT CSAIL lab has also reported a technique for inferring heart beat by micro-movement of the head during blood flow from the heart to the head and PCA analysis of the micro-movement of the head to find the heart-related frequency domain Balakrishnan et al ., 2013).

상기에 보고된 비접촉식 심장 정보 추론 기술은 추론 가능한 심장 변수가 한정적으로 실제 활용도가 높은 심장 변수가 충분히 고려되지 않았다. 또한, 데이터 검증의 과정에서 피험자의 평균값을 기준으로 계산하여 분석에 사용된 샘플 수가 12개로 검증의 신뢰성 부족하고 자체 개발된 ECG 센서를 기준으로 추론된 데이터를 검증하여 검정의 신뢰성이 부족하다. 따라서 본 발명에서는 선행 연구의 심장 정보 추론 기술에 대비하여 심장 정보의 유효 추론 변수의 증가 및 높은 정확도를 확보할 수 있는 방법론을 제안하고자 한다. 본 발명에서 개발된 무구속/무자각 생체정보 추론 기술은 U-healthcare (Wellness IT), 감성 ICT (Emotion Marketing, Services, Therapy etc.), 보안, 교육 등의 다양한 산업 분야에 적용되어 새로운 제품 및 서비스를 기반으로 새로운 가치를 창출 할 수 있을 것으로 기대된다.The noncontact cardiac information reasoning technique reported above does not sufficiently consider cardiac variables with reasonably probable cardiac variables and high actual utilization. In addition, the number of samples used in the analysis was 12 based on the average value of the subjects in the data verification process. Therefore, the reliability of the verification is insufficient and the reliability of the verification is insufficient by verifying the inferred data based on the self-developed ECG sensor. Accordingly, the present invention proposes a methodology for securing an increase in the effective inference parameters of the cardiac information and high accuracy against the cardiac information reasoning technique of the prior art. The non-constrained / non-conscious biometric information reasoning technology developed in the present invention is applied to various industrial fields such as U-healthcare (wellness IT), emotion marketing, services, therapy etc., It is expected to create new value based on services.

Balakrishnan, G., Durand, F., and Guttag, J. (2013). Detecting pulse from head motions in video. In Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2013 IEEE Conference on (pp. 3430-3437). IEEE.Balakrishnan, G., Durand, F., and Guttag, J. (2013). Detecting pulse from head motions in video. In Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2013 IEEE Conference on (pp. 3430-3437). IEEE. Pan J., Tompkins W.J., 1985. A real-time QRS detection algorithm. IEEE Trans. Biomed. Eng., 32, 230-236.Pan J., Tompkins W. J., 1985. A real-time QRS detection algorithm. IEEE Trans. Biomed. Eng., 32, 230-236. Poh, M. Z., McDuff, D. J., and Picard, R. W. (2011). Advancements in noncontact, multiparameter physiological measurements using a webcam. Biomedical Engineering, IEEE Transactions on, 58(1), 7-11.Poh, M. Z., McDuff, D. J., and Picard, R. W. (2011). Advancements in noncontact, multiparameter physiological measurements using a webcam. Biomedical Engineering, IEEE Transactions on, 58 (1), 7-11. 더힘스, 박승훈. (2013). 웰니스 분야의 IT 융합 동향.The Twins, Park Seung Hoon. (2013). IT convergence trend in the wellness field. 장병준, 최선웅. (2008). Wireless Body Area Network 기술 동향. 전자파기술, 19(3), 35-46.However, (2008). Wireless Body Area Network Technology Trend. Electromagnetic Wave Technology, 19 (3), 35-46. 정혜실. (2014). 헬스케어 웨어러블 디바이스의 동향과 전망. KHIDI Brief, 115.Jong Hye - Sil. (2014). Trends and prospects of healthcare wearable devices. KHIDI Brief, 115.

본 발명은 동공 크기 변화를 이용한 파수 영역에서의 심장 정보 추출하는 방법 및 그 장치 제공 한다.The present invention provides a method and apparatus for extracting cardiac information in a wavenumber region using a change in pupil size.

본 발명에 따른 동공 크기 변화를 이용한 심장의 주파수 영역 정보를 추출하는 방법:은A method for extracting frequency-domain information of a heart using pupil size change according to the present invention:

피험자의 동공을 촬영하는 단계;Photographing a pupil of a subject;

동공의 크기 변화율을 추출하는 단계;Extracting a change rate of a pupil size;

상기 변화율을 이용해 심장의 시간 영역의 정보를 추출하는 단계;를 포함한다.And extracting time-domain information of the heart using the rate of change.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 동공 크기 변화 데이터를 추출하면서 검출된 동공 크기에 따라 동공 깜박임을 판단할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, pupil flicker can be determined according to the detected pupil size while extracting the pupil size change data.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 동공 크기의 데이터를 소정 주파수로 리샘플링하고, 리샘플링된 데이터의 파워량을 구할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the power of the resampled data can be obtained by resampling the data of the pupil size to a predetermined frequency.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 리샘플링된 데이터를 BPF(Band Pass Filter)에 의해 복수의 대역으로 데이터를 분류하고, 각 대역의 데이터를 FFT의 분석을 통해 상기 파워량을 계산할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the resampled data may be classified into a plurality of bands by BPF (Band Pass Filter), and the amount of power may be calculated by analyzing FFT of data of each band.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 대역은 VLF 대역 (Very Low Frequency band, 0.0033 - 0.04 Hz), LF 대역 (Low Frequency band, 0.04 - 0.15 Hz), HF 대역 (High Frequency band, 0.15 - 0.04 Hz)을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the plurality of bands includes a very low frequency band (0.0033 - 0.04 Hz), a low frequency band (0.04 - 0.15 Hz), a high frequency band (0.15 - 0.04 Hz).

상기 본 발명의 방법들을 수행하여 동공 크기 변화를 이용한 심장의 주파수 영역 정보를 추출하는 장치에 있어서,An apparatus for extracting frequency domain information of a heart based on a pupil size change by performing the methods of the present invention,

상기 피험자의 동공을 촬영하는 카메라; 그리고A camera for photographing the pupil of the subject; And

상기 동공의 크기 변화 데이터를 추출하고 이로부터 상기 제1항 또는 제2항에 기재된 방법에 의해 심장의 주파수 영역의 정보를 추출하는 분석부;를 포함할 수 있다. And an analyzer for extracting the size change data of the pupil and extracting information on a frequency region of the heart by the method according to the first or second aspect.

본 발명에 따라, 심전도 센서로부터 취득된 데이터와 동공 데이터에서 추론한 데이터간의 정확도를 분석하였고 두 신호간의 높은 상관성과 낮은 에러율을 확인 하였다. 또한, 상기의 알고리즘을 기반으로 실시간으로 동공 영상을 취득하여 심장의 시간정보를 추론할 수 있는 시스템을 개발하였다. 본 발명에서 개발된 무구속/무자각 심장정보 추론 기술은 U-healthcare (Wellness IT), 감성 ICT (Emotion Marketing, Services, Therapy etc.), 보안, 교육 등의 다양한 산업 분야에 적용되어 새로운 제품 및 서비스를 기반으로 새로운 가치를 창출할 수 있을 것으로 기대된다.According to the present invention, the accuracy between the data obtained from the electrocardiogram sensor and the data deduced from the pupil data was analyzed, and high correlation between the two signals and a low error rate were confirmed. In addition, we have developed a system that can infer heart time information by acquiring pupil images in real time based on the above algorithm. The unconstrained / unacknowledged cardiac information reasoning technology developed in the present invention is applied to various industrial fields such as U-healthcare (Wellness IT), Emotion Marketing, Services, Therapy etc., It is expected to create new value based on services.

도1은 본 발명에 따른 심전도 측정 지점을 나타낸 보인다.
도2는 본 발명에 따른 동공 영상 신호처리 과정을 나타내 보인다.
도3은 본 발명에 따른 심전도 신호 처리 과정을 나타내 보인다.
도4는 동공 및 심전도 기반 HRV spectrum (VLF power) 신호 비교 결과 (Participants 6)를 나타내 보인다.
도5는 동공 및 심전도 기반 HRV spectrum (LF power) 신호 비교 결과 (Participants 6)를 나타내 보인다.
도6은 동공 및 심전도 기반 HRV spectrum (HF power) 신호 비교 결과 (Participants 6)를 나타내 보인다.
도7은 동공 및 심전도 기반 HRV spectrum (VLF/HF ratio) 신호 비교 결과 (Participants 6)를 나타내 보인다.
도8은 동공 및 심전도 기반 HRV spectrum (LF/HF ratio) 신호 비교 결과 (Participants 6)를 나타내 보인다.
도9는 동공 및 심전도 기반 Normalized HRV (ln VLF & ln HF) 데이터 패턴 비교 결과 (Participants 6)를 나타내 보인다.
도10은 동공 및 심전도 기반 Normalized HRV (ln LF & ln HF) 데이터 패턴 비교 결과 (Participants 6)를 나타내 보인다.
도11은 동공 및 심전도 기반 HRV spectrum (VLF power) 신호 정확도 검증 결과를 나타내 보인다.
도12는 동공 및 심전도 기반 HRV spectrum (LF power) 신호 정확도 검증 결과를 나타내 보인다.
도13은 동공 및 심전도 기반 HRV spectrum (HF power) 신호 정확도 검증 결과를 나타내 보인다.
도14은 동공 및 심전도 기반 HRV spectrum (VLF/HF ratio) 신호 정확도 검증 결과를 나타내 보인다.
도15는 동공 및 심전도 기반 HRV spectrum (LF/HF ratio) 신호 정확도 검증 결과를 나타내 보인다.
도16은 동공 및 심전도 기반 Normalized HRV(ln VLF) 신호 정확도 검증 결과를 나타내 보인다.
도17은 동공 및 심전도 기반 Normalized HRV(ln LF) 신호 정확도 검증 결과를 나타내 보인다.
도18은 동공 및 심전도 기반 Normalized HRV(ln HLF) 신호 정확도 검증 결과를 나타내 보인다.
도19는 본 발명에 따른 시스템의 인터페이스 화면을 예시한다.
1 shows an electrocardiogram measuring point according to the present invention.
FIG. 2 shows a process of processing a pupil image signal according to the present invention.
FIG. 3 shows a process of ECG signal processing according to the present invention.
FIG. 4 shows the result of comparing the HRV spectrum (VLF power) signals based on the pupil and ECG (Participants 6).
FIG. 5 shows the result of comparing the HRV spectrum (LF power) signal based on the pupil and ECG (Participants 6).
FIG. 6 shows the result of comparing the HRV spectrum (HF power) signals based on the pupil and electrocardiogram (Participants 6).
FIG. 7 shows the result of comparing the HRV spectrum (VLF / HF ratio) signals based on the pupil and electrocardiogram (Participants 6).
FIG. 8 shows the result of comparing the HRV spectrum (LF / HF ratio) signals based on the pupil and electrocardiogram (Participants 6).
FIG. 9 shows the result of comparing the pupil and ECG-based normalized HRV ( ln VLF & ln HF) data pattern (Participants 6).
FIG. 10 shows the result of comparing the pupil and ECG-based normalized HRV ( ln LF & ln HF) data pattern (Participants 6).
Figure 11 shows the results of verifying the HRV spectrum (VLF power) signal accuracy based on the pupil and electrocardiogram.
Figure 12 shows the results of verifying the HRV spectrum (LF power) signal accuracy based on the pupil and electrocardiogram.
Fig. 13 shows the result of verifying the HRV spectrum (HF power) signal accuracy based on the pupil and electrocardiogram.
Figure 14 shows the results of verifying the HRV spectrum (VLF / HF ratio) signal accuracy based on the pupil and electrocardiogram.
Fig. 15 shows the result of verifying the HRV spectrum (LF / HF ratio) signal accuracy based on the pupil and electrocardiogram.
FIG. 16 shows the results of verifying the normalized HRV ( ln VLF) signal accuracy based on the pupil and electrocardiogram.
17 shows the results of verifying the accuracy of the normalized HRV ( ln LF) signal based on the pupil and electrocardiogram.
FIG. 18 shows the results of verifying the normalized HRV ( ln HLF) signal accuracy based on the pupil and electrocardiogram.
Figure 19 illustrates an interface screen of a system according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참고하면서, 본 발명에 다라 동공 크기 변화율을 이용한 심장 주파수 영역의 정보 추출 방법 및 그 장치의 실시 예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a method for extracting information of a cardiac frequency region using a pupil size change rate according to the present invention and an embodiment of the apparatus will be described in detail.

본 발명에 다른 장치는 소프트웨어 및 하드웨어를 포함하는 PC 기반의 장치로서 피험자의 동공 또는 안면을 촬영하는 카메라 및 이로부터의 영상 데이터로부터 심장의 주파수 영역 정보를 추출하는 소프트웨어 기반 분석부를 포함할 수 있다. An apparatus according to the present invention may include a software-based analysis unit for extracting frequency-domain information of a heart from a camera for photographing a pupil or a face of a subject and image data therefrom as a PC-based apparatus including software and hardware.

1. 피험자1. Subjects

본 발명의 실험에서는 피험자 15 명 (남, 여 각각 7명 - 평균 나이: 28.2±3.24)이 실험에 참여하였다. 피험자는 중추 및 자율신경계와 시각기능에 병력이나 과거력이 없는 자를 대상으로 하였다. 실험에 참여하기 전, 신경계에 영향을 끼칠 수 있는 음주, 흡연, 카페인 등을 제한하였고 실험 전날 충분한 수면을 통해 실험 당일, 피로를 최소화할 수 있도록 하였다. 피험자로부터 본 발명의 연구목적을 제외하고 실험에 대한 대략적인 사항에 대해 설명한 후 자발적 참여의사에 대한 피험자 동의서를 받았다. 실험에 참여한 대가로 소정의 금액을 지불하여 실험 참여의사를 높였다.In the experiments of the present invention, 15 subjects (7 male and 7 female, mean age: 28.2 ± 3.24) participated in the experiment. The subjects were those who had no history or history of central and autonomic nervous system and visual function. Prior to participating in the experiment, drinking, smoking, and caffeine, which could affect the nervous system, were limited and enough sleep was allowed on the day before the experiment to minimize fatigue on the day of the experiment. The subject was informed of the outline of the experiment except for the research purpose of the present invention, and then the subject consent was given to the voluntary participation intention. I paid a certain amount of money to participate in the experiment and increased my intention to participate in the experiment.

2. 실험절차2. Experimental Procedure

피험자는 편안한 의자에 앉은 상태로 스크린을 응시하도록 하였고 피험자와 스크린과의 거리는 1m로 하였다. 움직임이 없는 상태에서 3분 동안 스크린에 제시되는 기준자극(reference stimuli)으로서 스크린 상의 그레이 바(grey bar)를 응시하도록 하였다. 피험자가 스크린을 응시하는 동안 심전도 (ECG, electrocardiogram)과 동공 영상(Pupil image)를 동시에 측정 및 촬영하였다. 동공 측정에 영향을 줄 수 있는 실험 환경 및 자극의 조명은 모든 피험자에게 동일한 조건으로 통제하였다.The subject was allowed to sit on a comfortable chair and the distance between the subject and the screen was 1 m. A gray bar on the screen was stared as a reference stimuli presented on the screen for 3 minutes in the absence of motion. Electrocardiogram (ECG) and pupil images were measured and photographed at the same time while the subject gazed at the screen. Illumination of the experimental environment and stimulation that could affect the pupil measurement was controlled by the same conditions for all subjects.

3. 데이터 수집 및 신호처리3. Data collection and signal processing

심전도는 표준사지 유도법을(lead I) 통해 1 채널 데이터를 측정하였다. 자세한 심전도 측정 방법은 도1과 같다. 심전도는 ECG100C amplifier (Biopac system Inc., USA)를 통해 신호를 증폭하고, NI-DAQ-Pad9205 (National Instrument Inc., USA)를 이용하여 500 Hz의 속도로 신호를 수집하였다. 수집된 신호는 Labview 2010 software (National Instrument Inc., USA)를 사용하여 신호처리 하였다. 동공 영상은 Point grey camera (FL3-GE-50S5M-C, Canada)를 이용해 30 frame/second로 취득하였고 영상의 해상도는 960*400으로 하였다.The electrocardiogram measured one channel data through the standard limb induction method (lead I). A detailed ECG measurement method is shown in Fig. Electrocardiograms were amplified using an ECG100C amplifier (Biopac system Inc., USA) and signals were collected at 500 Hz using a NI-DAQ-Pad9205 (National Instrument Inc., USA). The collected signals were processed using Labview 2010 software (National Instrument Inc., USA). The pupil images were acquired at 30 frames / second using a point gray camera (FL3-GE-50S5M-C, Canada) and the resolution of the images was 960x400.

취득된 적외선 영상에서 동공 영역을 추출하기 위해 OpenCV를 이용하여 그레이스케일과 스레스홀드(Threshold)를 통한 이진화 변환을 수행하였다. 동공 이외의 영역이 제거된 이진화 영상에서 윤곽선 검출 방법을 이용하여 동공 영역을 트래킹 하였다. 영상처리 프로그램에서 사각형 객체(object 또는 class)인 "Rect"로 저장된 동공 영역에서 동공 크기에 영향을 주는 눈 깜빡임을 측정하기 위한 아래의 <수1>의 조건에 부합하는 경우에만 동공의 반지름인 rect.width를 원주율 공식에 적용하여 동공 크기를 연속적으로 추출하였다.In order to extract the pupil region from the acquired infrared image, we performed the binarization through gray scale and threshold using OpenCV. The pupil region was tracked using the contour detection method in the binarized image from which the region other than the pupil was removed. In the image processing program, only the pupil radius, which is the radius of the pupil, satisfies the condition of <Equation 1> below, which is used to measure the blinking of the pupil in the pupil region stored as "Rect" . width were applied to the equation of circumference to extract the pupil size continuously.

Figure pat00001
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즉, 동공의 높이(rect.height)에 대해 그 폭(rect.width)의 비가 0.5 이상일 때 깜빡임으로 판정하였다.That is, when the ratio of the rect (height) to the height (rect.width) of the pupil is greater than or equal to 0.5, the blinking is determined.

추출된 동공 크기 데이터는 1 Hz로 리샘플링(re-sampling) 처리 하였고 1 Hz로 리샘플링(re-sampling)된 동공 크기 데이터는 VLF 대역 (Very Low Frequency band, 0.0033 - 0.04 Hz), LF 대역 (Low Frequency band, 0.04 - 0.15 Hz), HF 대역 (High Frequency band, 0.15 - 0.04 Hz)의 주파수 대역 별로 BPF (Band pass filter) 처리하고 FFT (Fast Fourier Transform) 분석을 통해, 각 주파수 VLF, LF, HF 대역 별 파워량을 계산하였다. The extracted pupil size data was re-sampled at 1 Hz and the pupil size data re-sampled at 1 Hz had a very low frequency band (0.0033 - 0.04 Hz) and a low frequency (LF) band LF, and HF bands, respectively, through a Fast Fourier Transform (FFT) analysis on a band pass filter (BPF) for each frequency band of the HF band (0.04-0.15 Hz) and the HF band (0.15-0.04 Hz) The amount of star power was calculated.

Figure pat00002
Figure pat00002

Figure pat00003
Figure pat00003

이때, 추출된 각 주파수 대역의 파워는 0.0033 - 0.4 Hz로 BPF 처리한 동공 크기 데이터를 FFT 하여 얻어진 파워 값을 전체 파워(Total Power)로 하여 각 주파수 대역의 파워량 (%)을 계산 하였다. 본 과정에서 추출된 동공의 VLF, LF, HF, VLF/HF 비(ratio), LF/HF 비(ratio) 주파수 대역의 파워량 (%)은 심장의 VLF, LF, HF, VLF/HF 비(ratio), LF/HF 비(ratio)를 추론하는데 활용하였다. 또한, VFL, LF, HF 파워는 자연 로그 (natural log)를 취해 정규화된(Nomalized) HRV (ln VLF, ln LF, ln HF) 데이터를 추출하였다. 자세한 신호처리 과정은 도2와 같다.At this time, the power amount (%) of each frequency band was calculated by taking the power value obtained by FFT processing of the BPF-processed pupil size data at 0.0033-0.4 Hz as the total power. The ratio of the VLF, LF, HF, VLF / HF ratio and LF / HF ratio of the extracted pupil to the power ratio (% ratio, and LF / HF ratio. In addition, VFL, LF, and HF power were extracted from the natural log (Nomalized HRV) ( ln VLF, ln LF, ln HF) data. Detailed signal processing is shown in FIG.

Figure pat00004
Figure pat00004

센서를 통해 취득된 심전도 데이터는 QRS 검출 알고리즘(Detection Algorithm)을 이용하여 ECG 신호의 R-피이크(peak)를 검출하였다 (Pan & Tompkins, 1985). 검출된 R-피이크는 인접한 R-피이크와의 차이를 통해 RRI (R-peak to R-peak Intervals)를 계산하였다.The electrocardiogram data acquired by the sensor detected the R-peak of the ECG signal using the QRS detection algorithm (Pan & Tompkins, 1985). The detected R-peaks were calculated by RRI (R-peak to R-peak Intervals) through the difference between adjacent R-peaks.

Figure pat00005
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RRI 데이터는 re-sampling (2 Hz)하여 시계열 데이터로 변환하고 FFT 분석을 통해 HRV (Heart rate variability) 스펙트럼(spectrum) 데이터를 추출하였다. 추출된 HRV 스펙트럼 데이터는 VFL (0.0033 - 0.04 Hz), LF (0.04 - 0.15 Hz), HF (0.15 - 0.4 Hz) 파워 값을 추출하고 전체 전체 파워(Total Power) (0.0033 - 0.4 Hz) 대역 대비 파워량 (%)을 계산하였다. 또한, VFL, LF, HF Power는 자연 로그 (natural log)를 취해 정규화된(Nomalized) HRV (ln VLF, ln LF, ln HF) 데이터를 추출하였다. 자세한 신호처리 과정은 도3과 같다.RRI data was converted to time-series data by re-sampling (2 Hz) and HRV (heart rate variability) spectrum data was extracted through FFT analysis. Extracted HRV spectral data were obtained by extracting power values of VFL (0.0033-0.04 Hz), LF (0.04-0.15 Hz) and HF (0.15-0.4 Hz) and comparing the total power (0.0033-0.4 Hz) (%) Was calculated. In addition, VFL, LF, and HF Power extract naturalized HRV ( ln VLF, ln LF, ln HF) data by taking a natural log. Detailed signal processing is shown in FIG.

두 데이터는 상관 분석과 평균 에러(mean error) 및 에러율(error rate, (%)을 통해 신호의 추론 정확도를 비교 검증 하였다. The two data compares the accuracy of the signal with the correlation analysis and mean error and error rate (%).

4. 실험결과4. Experimental results

동공 크기 변화율을 기반으로 추론한 HRV 스펙트럼 신호와 센서 기반의 심전도 데이터로부터 추출된 HRV 스펙트럼(spectrum) 데이터를 비교하였다. 피험자 (Participants 6)의 두 신호의 샘플은 도4~8과 같다. 두 신호의 패턴이 유사하고 데이터간 편차가 작은 것을 확인할 수 있었다.HRV spectral signal deduced based on pupil size change ratio and HRV spectral data extracted from sensor based ECG data were compared. Samples of the two signals of the participants (Participants 6) are shown in FIGS. It was confirmed that the patterns of the two signals are similar and the deviation between data is small.

또한, 동공 크기 변화율을 기반으로 추론한 정규화된(Normalized) HRV 신호와 센서 기반의 심전도 데이터로부터 추출된 정규화된(Normalized) HRV 데이터를 비교하였다. 피험자 (Participants 6)의 두 데이터의 샘플은 도9, 10과 같다. 두 데이터의 패턴이 유사하고 데이터간 편차가 작은 것을 확인할 수 있었다.Also, we compared the normalized HRV data deduced from the pupil size change rate and the normalized HRV data extracted from the sensor based ECG data. Samples of the two data of the participants (Participants 6) are shown in FIGS. It was confirmed that the patterns of the two data are similar and the deviation between the data is small.

피험자 15명의 데이터는 각각의 피험자 별로 슬라이딩 윈도우(Sliding window; Window size: 30s, Resolution 1s)를 통해 각각 160 데이터 샘플의 상관분석 (correlation), 평균 에러 (mean error) 및 에러율 (error rate)을 계산하였다. 상관분석은 피어슨의 상관분석을 통해 r 값을 계산하였고 mean error는 두 데이터의 차이값의 평균을 사용하였으며, error rate는 수식 6을 통해 계산하였다.Data of 15 subjects were calculated by correlating 160 data samples, mean error and error rate through a sliding window (Window size: 30s, Resolution 1s) for each subject. Respectively. Correlation analysis was performed using Pearson's correlation analysis. The mean error was calculated by the mean of the difference between the two data, and the error rate was calculated using Equation 6.

Figure pat00006
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피험자 15명의 HRV 스펙트럼 (VLF power) 데이터의 정확도 비교 결과는 그림 11과 같다. 동공과 심전도를 기반으로 추출된 HRV 스펙트럼(VLF 파워) 데이터의 정확도를 비교한 결과, 강한 양의 상관성 (r = 0.765±0.055, p < .001)을 확인 하였고 평균 에러가 0.784±0.277으로 확인 되었으며, 평균 에러율은 0.956±0.332 (%)로 확인 되었다.The results of the accuracy comparison of the 15 HRV spectral data of the subjects are shown in Fig. The accuracy of the extracted HRV spectra (VLF power) data based on the pupil and electrocardiogram was confirmed to be strong correlation (r = 0.765 ± 0.055, p <.001) and the mean error was 0.784 ± 0.277 , And the average error rate was 0.956 ± 0.332 (%).

피험자 15명의 HRV 스펙트럼 (LF power) 데이터의 정확도 비교 결과는 도12와 같다. 동공과 심전도를 기반으로 추출된 HRV 스펙트럼 (LF power) 데이터의 정확도를 비교한 결과, 강한 양의 상관성 (r = 0.715±0.058, p < .001)을 확인 하였고 평균 에러가 0.648±0.216으로 확인 되었으며, 평균 에러율은 4.459±1.298 (%)로 확인 되었다.The results of the accuracy comparison of the HRV spectral data (LF power) of 15 subjects are shown in FIG. As a result of comparing the accuracy of extracted HRV spectral data (LF power) based on pupil and electrocardiogram, a strong positive correlation (r = 0.715 ± 0.058, p <.001) was confirmed and mean error was 0.648 ± 0.216 , And the average error rate was 4.459 ± 1.298 (%).

피험자 15명의 HRV 스펙트럼 (HF 파워) 데이터의 정확도 비교 결과는 도 13과 같다. 동공과 심전도를 기반으로 추출된 HRV 스펙트럼 (HF 파워) 데이터의 정확도를 비교한 결과, 강한 양의 상관성 (r = 0.715±0.037, p < .001)을 확인 하였고 평균 에러가 0.697±0.289으로 확인 되었으며, 평균 에러율은 5.610±2.564 (%)로 확인 되었다.The accuracy comparison result of the HRV spectrum (HF power) data of 15 subjects is shown in FIG. As a result of comparing the accuracy of extracted HRV spectrum (HF power) data based on pupil and electrocardiogram, a strong positive correlation (r = 0.715 ± 0.037, p <.001) was confirmed and an average error was found to be 0.697 ± 0.289 , And the average error rate was 5.610 ± 2.564 (%).

피험자 15명의 HRV 스펙트럼 (VLF/HF ratio) 데이터의 정확도 비교 결과는 그림 14와 같다. 동공과 심전도를 기반으로 추출된 HRV 스펙트럼 (VLF/HF ratio) 데이터의 정확도를 비교한 결과, 강한 양의 상관성 (r = 0.724±0.040, p < .001)을 확인 하였고 평균 에러가 4.219±2.318으로 확인 되었으며, 평균 에러율은 5.602±2.848 (%)로 확인 되었다.The results of the accuracy comparison of the HRV spectrum (VLF / HF ratio) data of 15 subjects are shown in Fig. The accuracy of the extracted HRV spectrum (VLF / HF ratio) data based on the pupil and electrocardiogram was confirmed to be strong correlations (r = 0.724 ± 0.040, p <.001) and the mean error was 4.219 ± 2.318 And the average error rate was 5.602 ± 2.848 (%).

피험자 15명의 HRV 스펙트럼 (LF/HF ratio) 데이터의 정확도 비교 결과는 도15와 같다. 동공과 심전도를 기반으로 추출된 HRV 스펙트럼 (LF/HF ratio) 데이터의 정확도를 비교한 결과, 강한 양의 상관성 (r = 0.724±0.066, p < .001)을 확인 하였고 평균 에러가 0.841±0.404으로 확인 되었으며, 평균 에러율은 2.269±1.362 (%)로 확인 되었다.The results of the accuracy comparison of the HRV spectrum (LF / HF ratio) data of 15 subjects are shown in FIG. The accuracy of the extracted HRV spectra (LF / HF ratio) data based on the pupil and electrocardiogram was found to be strongly correlated (r = 0.724 ± 0.066, p <.001) and the mean error was 0.841 ± 0.404 And the average error rate was 2.269 ± 1.362 (%).

피험자 15명의 정규화된 HRV (ln VLF) 데이터의 정확도 비교 결과는 도16과 같다. 동공과 심전도를 기반으로 추출된 정규화된 HRV (ln VLF) 데이터의 정확도를 비교한 결과, 강한 양의 상관성 (r = 0.765±0.055, p < .001)을 확인 하였고 평균 에러가 0.021±0.013으로 확인 되었으며, 평균 에러율은 0.496±0.305 (%)로 확인 되었다.The accuracy comparison result of the normalized HRV ( ln VLF) data of 15 subjects is shown in Fig. The accuracy of the extracted normalized HRV ( ln VLF) data based on the pupil and electrocardiogram was verified with a strong positive correlation (r = 0.765 ± 0.055, p <.001) and an average error of 0.021 ± 0.013 , And the average error rate was 0.496 ± 0.305 (%).

피험자 15명의 정규화된 HRV (ln LF) 데이터의 정확도 비교 결과는 도17과 같다. 동공과 심전도를 기반으로 추출된 정규화된 HRV (ln LF) 데이터의 정확도를 비교한 결과, 강한 양의 상관성 (r = 0.715±0.058, p < .001)을 확인 하였고 평균 에러가 0.024±0.014으로 확인 되었으며, 평균 에러율은 1.103±0.650 (%)로 확인 되었다.The results of the accuracy comparison of the normalized HRV ( ln LF) data of 15 subjects are shown in Fig. The accuracy of the normalized HRV ( ln LF) data extracted from the pupil and electrocardiogram was verified with a strong positive correlation (r = 0.715 ± 0.058, p <.001) and the mean error was 0.024 ± 0.014 And the average error rate was 1.103 ± 0.650 (%).

피험자 15명의 정규화된 HRV (ln HF) 데이터의 정확도 비교 결과는 도18과 같다. 동공과 심전도를 기반으로 추출된 정규화된 HRV (ln HF) 데이터의 정확도를 비교한 결과, 강한 양의 상관성 (r = 0.735±0.037, p < .001)을 확인 하였고 평균 에러가 0.008±0.007으로 확인 되었으며, 평균 에러율은 0.639±0.529 (%)로 확인 되었다.The results of the accuracy comparison of the normalized HRV ( ln HF) data of 15 subjects are shown in Fig. The accuracy of the normalized HRV ( ln HF) data extracted from the pupil and electrocardiogram was verified with a strong positive correlation (r = 0.735 ± 0.037, p <.001) and an average error of 0.008 ± 0.007 And the average error rate was 0.639 ± 0.529 (%).

상기의 심장정보 추론 알고리즘을 기반으로 실시간으로 취득되는 동공영상을 기반으로 심장의 시간 정보를 추론할 수 있는 시스템을 개발하였고 개발된 시스템 화면은 도19와 같다. 도19에서, (1)는 입력(Input) 영상, (2)는 이진화 영상, (3)는 동공 트래킹 영상, (4)는 심장박동 추론 신호, (5)는 심장 주파수영역 정보 (HRV spectrum) 추론 결과, (6)은 심장 주파수영역 정보 (Normalized HRV) 추론 결과를 나타낸다.A system has been developed that can infer cardiac time information based on a pupil image acquired in real time based on the cardiac information reasoning algorithm described above. The developed system screen is shown in FIG. In FIG. 19, reference numeral 1 denotes an input image, reference numeral 2 denotes a binarized image, reference numeral 3 denotes a pupil tracking image, reference numeral 4 denotes a heartbeat reasoning signal, reference numeral 5 denotes an HRV spectrum, As a result of inference, (6) represents the results of normalized HRV inference.

이상에서, 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 모범적인 실시 예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시 예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 내용에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.In the foregoing, exemplary embodiments have been described and shown in the accompanying drawings to facilitate understanding of the present invention. It should be understood, however, that such embodiments are merely illustrative of the present invention and not limiting thereof. And it is to be understood that the invention is not limited to the details shown and described. Since various other modifications may occur to those of ordinary skill in the art.

Claims (9)

피험자의 동공을 촬영하는 단계;
동공의 크기 변화 데이터를 추출하는 단계;
상기 변화 데이터로부터 심장의 주파수 영역의 정보를 추출하는 단계;를 포함하는 동공 크기 변화를 이용한 심장의 주파수 영역 정보를 추출하는 방법.
Photographing a pupil of a subject;
Extracting pupil size change data;
Extracting frequency domain information of the heart from the change data; and extracting frequency domain information of the heart using the change of the pupil size.
제1항에 있어서,
상기 동공 크기 변화 데이터를 추출하면서 검출된 동공 크기에 따라 동공 깜박임을 판단하는 것을 특징으로 하는 동공 크기 변화를 이용한 심장의 주파수 영역 정보를 추출하는 방법.
The method according to claim 1,
And extracting the pupil size change data and determining a pupil flicker according to the detected pupil size.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 동공 크기의 데이터를 소정 주파수로 리샘플링하고, 리샘플링된 데이터의 파워량을 구하는 것을 특징으로 하는 동공 크기 변화를 이용한 심장의 주파수 영역 정보를 추출하는 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
The method comprising the steps of: resampling the pupil size data to a predetermined frequency and obtaining a power amount of the resampled data; and extracting the frequency domain information of the heart using the pupil size change.
제3항에 있어서,
상기 리샘플링된 데이터를 BPF(Band Pass Filter)에 의해 복수의 대역으로 데이터를 분류하고, 각 대역의 데이터를 FFT의 분석을 통해 상기 파워량을 계산하는 것을 특징으로 하는 동공 크기 변화를 이용한 심장의 주파수 영역 정보를 추출하는 방법.
The method of claim 3,
Wherein the resampled data is classified into a plurality of bands by a band pass filter (BPF), and the amount of power is calculated by analyzing data of each band by FFT. A method for extracting area information.
제4항에 있어서,
상기 복수의 대역은 VLF 대역 (Very Low Frequency band, 0.0033 - 0.04 Hz), LF 대역 (Low Frequency band, 0.04 - 0.15 Hz), HF 대역 (High Frequency band, 0.15 - 0.04 Hz)을 포함하는 것을 특징으로 하는 동공 크기 변화를 이용한 심장의 주파수 영역 정보를 추출하는 방법.
5. The method of claim 4,
The plurality of bands include a very low frequency band (0.0033 - 0.04 Hz), a low frequency band (0.04 - 0.15 Hz), and a high frequency band (0.15 - 0.04 Hz) And extracting the frequency domain information of the heart using the change in the pupil size.
제1항 또는 제2항에 기재된 방법을 수행하여 동공 크기 변화를 이용한 심장의 주파수 영역 정보를 추출하는 장치에 있어서,
상기 피험자의 동공을 촬영하는 카메라; 그리고
상기 동공의 크기 변화 데이터를 추출하고 이로부터 상기 제1항 또는 제2항에 기재된 방법에 의해 심장의 주파수 영역의 정보를 추출하는 분석부;를 포함하는 동공 크기 변화를 이용한 심장의 주파수 영역 정보를 추출하는 장치.
An apparatus for extracting frequency-domain information of a heart using a change in a pupil size by performing the method according to claim 1 or 2,
A camera for photographing the pupil of the subject; And
And analyzing means for extracting the size change data of the pupil and extracting information on a frequency region of the heart by the method according to the first or second aspect of the present invention, Extracting device.
제6항에 있어서,
상기 분석부는, 상기 동공 크기의 데이터를 소정 주파수로 리샘플링하고, 리샘플링된 데이터의 파워량을 구하는 것을 특징으로 하는 동공 크기 변화를 이용한 심장의 주파수 영역 정보를 추출하는 장치.
The method according to claim 6,
Wherein the analysis unit resamples the pupil size data to a predetermined frequency and obtains a power amount of the resampled data, and extracts the frequency domain information of the heart using the pupil size change.
제7항에 있어서,
상기 분석부는 상기 리샘플링된 데이터를 BPF(Band Pass Filter)에 의해 복수의 대역으로 데이터를 분류하고, 각 대역의 데이터를 FFT의 분석을 통해 상기 파워량을 계산하는 것을 특징으로 하는 동공 크기 변화를 이용한 심장의 주파수 영역 정보를 추출하는 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the analysis unit classifies the resampled data into a plurality of bands by a band pass filter (BPF), and calculates the amount of power by analyzing data of each band by FFT. An apparatus for extracting frequency domain information of a heart.
제8항에 있어서,
상기 분석부는, 리샘플링된 데이터를 BPF(Band Pass Filter)에 의해 VLF 대역 (Very Low Frequency band, 0.0033 - 0.04 Hz), LF 대역 (Low Frequency band, 0.04 - 0.15 Hz), HF 대역 (High Frequency band, 0.15 - 0.04 Hz)으로 분류하는 것을 특징으로 하는 동공 크기 변화를 이용한 심장의 주파수 영역 정보를 추출하는 장치.
9. The method of claim 8,
The analyzer analyzes the resampled data by a band pass filter (BPF) in a very low frequency band (0.0033-0.04 Hz), a low frequency band (0.04-0.15 Hz), a high frequency band (HF band) 0.15 - 0.04 Hz). The apparatus for extracting the frequency domain information of the heart using the pupil size change.
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