KR20190021631A - Wearable multichannel photo plethysmography measuring device using singular value decomposition and method for removing noise from a signal using the same - Google Patents

Wearable multichannel photo plethysmography measuring device using singular value decomposition and method for removing noise from a signal using the same Download PDF

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KR20190021631A
KR20190021631A KR1020170106616A KR20170106616A KR20190021631A KR 20190021631 A KR20190021631 A KR 20190021631A KR 1020170106616 A KR1020170106616 A KR 1020170106616A KR 20170106616 A KR20170106616 A KR 20170106616A KR 20190021631 A KR20190021631 A KR 20190021631A
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고훈
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Abstract

Disclosed are a wearable multichannel photoelectric pulse wave measuring device using a singular value decomposition (SVD) and a method for removing noise from a signal using the same. According to an aspect of the present invention, the method for removing noise from a signal in a wearable multichannel photoelectric pulse wave measuring device comprises: a step of simultaneously collecting a plurality of PPG signals measured at different measurement sites by a sensing part; a step of removing noise by applying a cut SVD to the collected plurality of PPG signals; and a step of measuring a heart rate in the noise-removed signal.

Description

특이값 분해를 이용한 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치 및 이를 이용해 신호에서 잡음을 제거하는 방법{WEARABLE MULTICHANNEL PHOTO PLETHYSMOGRAPHY MEASURING DEVICE USING SINGULAR VALUE DECOMPOSITION AND METHOD FOR REMOVING NOISE FROM A SIGNAL USING THE SAME}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a wearable multi-channel optoelectronic pulse wave measuring device using singular value decomposition, and a method of removing noise from a signal using the same. BACKGROUND ART [0002]

본 발명은 특이값 분해를 이용한 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치 및 이를 이용해 신호에서 잡음을 제거하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특이값 분해(singular value decomposition : SVD)를 이용해 신호에서 잡음을 제거하여 모션 아티팩트(motion artifacts)의 영향을 최소화하는 특이값 분해를 이용한 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치 및 이를 이용해 신호에서 잡음을 제거하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a wearable multichannel photoelectrochemical pulse wave measuring apparatus using singular value decomposition and a method for removing noise from a signal using the apparatus. More particularly, the present invention relates to a wearable multichannel photoelectrical pulse wave measuring apparatus using singular value decomposition (SVD) Channel multichannel photoelectrical pulse wave measuring device using singular value decomposition that minimizes the influence of motion artifacts and eliminating noise from a signal using the same.

PPG 신호는 생체 신호인 맥파를 의미하며, 광전용적맥파 측정 장치(Photoplethysmography)를 이용해 측정 가능하다. PPG 신호는 직류(DC) 및 교류(AC) 성분으로 구성된다. AC 성분은 심장주기의 수축기(systolic)와 이완기(diastolic) 사이에 발생하는 동맥혈의 변화를 나타낸다. DC 성분은 조직, 정맥혈 및 동맥혈의 비박동(non-pulsatile) 구성 요소로부터 검출된 광강도에 해당한다. 이때, PPG 신호를 획득하기 위한 PPG 센서는 전송(transmission) 및 반사(reflectance) 유형으로 분류된다. 전송형(transmission type)은 한 쌍의 발광 다이오드(LED)와 광 검출기가 대면한다. LED의 빛은 피부 색소 침착, 생물학적 조직 뼈, 동맥혈 및 정맥혈과 같은 흡수 물질을 통해 이동하고, 광 검출기는 전송된 빛을 받아 필터 및 ADC컨버터(analog-to-digital converter)를 통해 양자화된다. 전송형의 대표적인 예는, 손가락 끝 맥박 산소 측정기이며, 임상적으로 널리 사용되고 있다. 한편, 반사형에서는 LED와 광 검출기의 쌍을 동일 측에 배치한다. LED로부터의 빛은 반사 물질로 반사되고, 광 검출기는 반사된 빛을 수신하며, 반사된 빛은 필터와 ADC 필터를 통해 유사하게 양자화된다. 반사형은 주로 물질이 두꺼울 때(예컨대, 손목과 이마) 사용된다. 따라서, 반사형은 밴드, 시계, 패치 등과 같은 다양한 형태가 가능하다. 착용형 센서로서 반사형의 필요성이 증가함에 따라, 실시간 심박수를 제공할 수 있는 상당히 많은 착용형 PPG 센서가 이용되고 있다. 하지만, 대부분의 반사형 PPG 센서는 피부, 근육 및 지방의 상대적으로 큰 물질 및 동맥혈의 비교적 작은 박동성 성분으로 인해 발생하는 낮은 신호대 잡음비(SNR)로 인해 사용이 제한된다. 또한, 반사형 웨어러블 PPG 센서는 모션 아티팩트(motion artifacts)에 대한 문제점을 가지고 있었다. 따라서, 이러한 모션 아티팩트(motion artifacts)의 영향을 줄이기 위해 많은 연구들이 진행되었으며, 그 중 하나로 모션 아티팩트(motion artifacts)와 관련이 있는 참조 신호를 추가적으로 측정하는 것이었다. 이러한 전형적인 예는, 가속도계를 사용하는 것이다. 그러나, 가속도계는 손가락 두드리기, 손목 비틀기, 주먹 펴기/펼침과 같은 실제 모션 아티팩트(motion artifacts)의 일부 유형을 항상 충분하게 나타내지 않는다. 사실, 손가락, 손목 및 주먹 움직임은 손목 형태의 신호 품질 즉, PPG 센서에 크게 영향을 준다. 또 다른 연구들은 주성분 분석(principle component analysis : PCA), 독립 성분 분석(independent component analysis : ICA) 및 경험적 모드 분해(empirical mode decomposition : EMD)와 같은 신호 처리 기술을 사용하여 손상된 PPG 신호를 재구성하려고 시도했다. 이러한 알고리즘은 많은 경우 모션 아티팩트(motion artifacts)에서 잘 작동하지만, 심하게 손상된 PPG 신호에는 사용할 수 없었다. 따라서, 심하게 손상된 모션 아티팩트(motion artifacts)를 극복하기 위한 연구가 필요한 실정이다.The PPG signal means a pulse wave, which is a biological signal, and can be measured using a photoplethysmography. The PPG signal consists of direct current (DC) and alternating current (AC) components. The AC component represents arterial blood changes that occur between the systolic and diastolic phases of the cardiac cycle. The DC component corresponds to light intensity detected from non-pulsatile components of tissue, venous and arterial blood. At this time, PPG sensors for obtaining PPG signals are classified into transmission and reflectance types. A transmission type faces a pair of light emitting diodes (LEDs) and a photodetector. The light of the LED travels through absorbing material such as skin pigmentation, biological tissue bones, arterial blood and venous blood, and the photodetector receives the transmitted light and is quantized through a filter and an analog-to-digital converter (ADC). A representative example of the transfer type is the fingertip pulse oximeter, which is widely used clinically. On the other hand, in the reflection type, the pair of the LED and the photodetector are arranged on the same side. The light from the LED is reflected by the reflective material, the photodetector receives the reflected light, and the reflected light is similarly quantized through the filter and the ADC filter. The reflection type is mainly used when the material is thick (for example, the wrist and the forehead). Therefore, the reflection type can be various forms such as a band, a clock, a patch, and the like. As the need for a reflective type as a wearable sensor increases, a considerable number of wearable PPG sensors are available that can provide real-time heart rate. However, most reflective PPG sensors are limited in use due to their relatively high signal-to-noise ratio (SNR) caused by relatively large amounts of skin, muscle and fat and relatively small pulsatile components of arterial blood. Also, the reflective wearable PPG sensor had problems with motion artifacts. Therefore, many studies have been conducted to reduce the influence of these motion artifacts, one of which was to additionally measure the reference signals associated with motion artifacts. A typical example of this is to use an accelerometer. However, the accelerometer does not always adequately represent some type of real motion artifacts, such as finger tapping, wrist twisting, and fist spreading / unfolding. In fact, finger, wrist and fist movements have a significant impact on the signal quality of the wrist, that is, the PPG sensor. Other studies have attempted to reconstruct a damaged PPG signal using signal processing techniques such as principle component analysis (PCA), independent component analysis (ICA), and empirical mode decomposition (EMD) did. These algorithms work well in motion artifacts in many cases, but they can not be used for severely damaged PPG signals. Therefore, research is needed to overcome severely damaged motion artifacts.

(비특허문헌 1) J. Lee, "Motion artifacts reduction from PPG using cyclic moving average filter," Technology and Health Care, vol. 22, pp. 409-417, 2014.(Non-Patent Document 1) J. Lee, " Motion artifacts reduction from PPG using cyclic moving average filter, " Technology and Health Care, vol. 22, pp. 409-417, 2014.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 특이값 분해(singular value decomposition : SVD)를 이용하여 신호에서 모션 아티팩트(motion artifacts)를 제거하여, 고강도의 운동시에도 정확한 심박수(heart rate)를 제공하는 특이값 분해를 이용한 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치 및 이를 이용해 신호에서 잡음을 제거하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention has been proposed in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to eliminate motion artifacts from a signal using singular value decomposition (SVD) The present invention provides a wearable multi-channel optoelectronic pulse wave measuring apparatus using singular value decomposition, which provides a wearable multi-channel photoelectrical pulse wave measuring apparatus, and a method of removing noise from a signal using the same.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.Other objects and advantages of the present invention can be understood by the following description, and will be more clearly understood by one embodiment of the present invention. It will also be readily apparent that the objects and advantages of the invention may be realized and attained by means of the instrumentalities and combinations particularly pointed out in the appended claims.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치에서의 신호에서 잡음을 제거하는 방법은, 센싱부가 서로 다른 측정 지점(site)에서 측정된 다수 개의 PPG 신호를 동시에 수집하는 단계; 상기 수집된 다수 개의 PPG 신호에 절삭된 특이값 분해(SVD)를 적용하여 잡음을 제거하는 단계; 및 상기 잡음이 제거된 신호에서 심박수(heart rate)를 측정하는 단계;를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of removing noise from a signal in a wearable multi-channel photoelectrochemical pulse wave measurement device, the method comprising: sensing a plurality of PPG signals measured at different measurement sites; At the same time; Removing noise by applying cut singular value decomposition (SVD) to the collected plurality of PPG signals; And measuring a heart rate in the noise canceled signal.

상기 수집된 다수 개의 PPG 신호에 절삭된 특이값 분해(SVD)를 적용하여 잡음을 제거하는 단계는, 상기 수집된 모든 채널 신호를 2차원 행렬로 표현하는 단계; 상기 2차원 행렬을 SVD를 사용하여 분해하는 단계; 및 상기 분해된 행렬을 근사화하여 잡음이 제거된 신호를 추출하는 단계;를 포함한다.The step of applying the singular value decomposition (SVD) to the plurality of collected PPG signals to remove noise includes: expressing all the collected channel signals by a two-dimensional matrix; Decomposing the two-dimensional matrix using SVD; And extracting the noise-removed signal by approximating the decomposed matrix.

상기 수집된 모든 채널 신호를 2차원 행렬로 표현하는 단계에서는, 상기 수집된 모든 채널 신호는 아래의 수학식 1과 같은 2차원 행렬로 표현되고, 각 행은 각 채널k로부터의 펄스 신호에 해당하는 것을 특징으로 한다.In the step of representing all of the collected channel signals by a two-dimensional matrix, all of the collected channel signals are represented by a two-dimensional matrix as shown in the following Equation 1, and each of the rows corresponds to a pulse signal from each channel k .

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, k는 채널수, N은 샘플들의 수임.Where k is the number of channels and N is the number of samples.

상기 2차원 행렬을 SVD를 사용하여 분해하는 단계에서는, 상기 2차원 행렬을 SVD를 사용하여 아래의 수학식 2와 같이 분해하는 것을 특징으로 한다.In the step of decomposing the two-dimensional matrix using the SVD, the two-dimensional matrix is decomposed using the SVD according to the following equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, U와 V는 각각 왼쪽과 오른쪽의 특이 벡터이며, 시그마(

Figure pat00003
Figure pat00004
)는 행렬 P의 특이값임.Where U and V are the left and right singular vectors, respectively, and sigma
Figure pat00003
Figure pat00004
) Is the singular value of the matrix P.

상기 분해된 행렬을 근사화하여 잡음이 제거된 신호를 추출하는 단계에서는, 상기 분해된 행렬을 절삭된 특이값과 벡터로 나타내어 아래의 수학식 3과 같이 근사화하고, 아래의 수학식 4와 같이 표현된 행렬에서 잡음이 제거된 신호를 추출하는 것을 특징으로 한다.In the step of extracting the noise-eliminated signal by approximating the decomposed matrix, the decomposed matrix is expressed as a singular value and a vector to be approximated as shown in Equation (3) below, And extracts a noise-removed signal from the matrix.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서,

Figure pat00006
는 특이값,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
는 각각 특이값의 좌우 특이 벡터임.here,
Figure pat00006
Lt; / RTI >
Figure pat00007
,
Figure pat00008
Are specific left and right specific vectors, respectively.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서, k는 채널수, N은 샘플들의 수임.Where k is the number of channels and N is the number of samples.

상기

Figure pat00010
에 대응하는 각각의 행 벡터는 각각의 k 번째 채널에서 잡음이 제거된 신호인 것을 특징으로 한다.remind
Figure pat00010
Is a signal in which noise is removed in each k-th channel.

상기 센싱부는, LED와 광 검출기의 쌍이 동일 측에 배치되는 반사형(reflectance type) PPG 센서를 포함한다.The sensing unit includes a reflectance type PPG sensor in which pairs of LEDs and photodetectors are arranged on the same side.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 특이값 분해를 이용한 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치는, 서로 다른 측정 지점(site)에서 측정된 다수 개의 PPG 신호를 동시에 수집하는 센싱부; 상기 수집된 다수 개의 PPG 신호에 절삭된 특이값 분해(SVD)를 적용하여 잡음을 제거하는 잡음 제거부; 및 상기 잡음이 제거된 신호에서 심박수(heart rate)를 측정하는 심박수 측정부;를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a wearable multi-channel photoelectrochemical pulse wave measuring apparatus using singular value decomposition, comprising: a sensing unit for simultaneously collecting a plurality of PPG signals measured at different measurement sites; ; A noise eliminator for removing noise by applying cut singular value decomposition (SVD) to the collected plurality of PPG signals; And a heart rate measuring unit for measuring a heart rate in the noise canceled signal.

상기 센싱부는, LED와 광 검출기의 쌍이 동일 측에 배치되는 반사형(reflectance type) PPG 센서; 상기 LED에 공급되는 전류를 제어하기 위한 금속 산화물 실리콘 전계 효과 트랜지스터 및 디지털-아날로그 변환기를 포함하는 LED 구동 회로; 상기 광 검출기에서 얻은 PPG 신호를 전압 신호로 변환시키는 트랜스 임피던스 증폭기; 및 상기 변환된 전압 신호를 필터링하는 능동 필터;를 포함하고, 상기 필터링된 신호는 마이크로 컨트롤러 유닛에 내장된 아날로그-디지털 컨버터에 의해 디지털 데이터로 변환된다.The sensing unit may include a reflectance type PPG sensor in which pairs of LEDs and photodetectors are disposed on the same side; An LED drive circuit including a metal oxide silicon field effect transistor and a digital-to-analog converter for controlling a current supplied to the LED; A transimpedance amplifier for converting the PPG signal obtained from the photodetector into a voltage signal; And an active filter for filtering the converted voltage signal, wherein the filtered signal is converted into digital data by an analog-to-digital converter embedded in the microcontroller unit.

상기 센싱부는 2개 층의 양면 인쇄 회로 기판(PCB)으로 구비되고, 하부층(bottom layer)은 상부면(the top face)에 아날로그 회로를 포함하고, 하부면(the bottom face)에 감지 소자를 포함하며, 상부층(top layer)은 상부면(the top face)에 사용자 상호 작용 구성요소를 포함하고, 하부면(the bottom face)에 디지털 신호 처리 신호 구성 요소를 포함하는 것을 특징으로 한다. The sensing unit may be a two-sided printed circuit board (PCB), a bottom layer may include an analog circuit on the top face, and a sensing device may be included on the bottom face. Wherein the top layer includes a user interaction component on the top face and includes a digital signal processing signal component on the bottom face.

상기 하부층(bottom layer)에는, 손목에 직접 접촉하여 PPG 신호를 측정하기 위한 광 감지기와 LED의 쌍으로 이루어진 9개의 멀티 채널 PPG 센서가 하부면(the bottom face)에 배치되는 것을 특징으로 한다.In the bottom layer, nine multichannel PPG sensors made of a pair of a light sensor and an LED for directly contacting the wrist and measuring the PPG signal are disposed on the bottom face.

본 발명의 일 측면에 따르면, 특이값 분해(singular value decomposition : SVD)를 이용해 신호에서 효과적으로 모션 아티팩트(motion artifacts)를 제거하여 PPG 신호의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 이에 따라, 고강도의 운동시에도 정확한 심박수의 측정이 가능하다.According to an aspect of the present invention, there is an effect that performance of a PPG signal can be improved by effectively removing motion artifacts from a signal using singular value decomposition (SVD). Accordingly, it is possible to accurately measure the heart rate even during high-intensity exercise.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtained in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description .

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용들과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱부의 구성의 일 예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2 층의 양면 인쇄 회로 기판의 일 예를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치를 이용한 신호에서 잡음을 제거하는 방법의 개략적인 흐름도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭된 SVD의 잡음제거 효과를 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 절삭된 SVD의 잡음제거 효과를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 운동 강도와 각 방법에 대한 RMSE의 분포를 도시한 도면,
도 8은 다양한 방법에 대한 결과의 한 세그먼트 예를 도시한 도면,
도 9는 사용 채널수에 따른 중간 강도 운동 및 강도가 높은 운동(hard intensity exercise)에 대한 RMSE 분포를 도시한 도면이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate exemplary embodiments of the invention and, together with the specific details for carrying out the invention, And shall not be construed as limited to the matters described.
1 is a schematic diagram of a wearable multi-channel optoelectronic pulse wave measuring apparatus according to an embodiment of the present invention;
2 is a diagram illustrating an example of the configuration of a sensing unit according to an embodiment of the present invention;
3 is a view showing an example of a double-sided printed circuit board according to an embodiment of the present invention,
FIG. 4 is a schematic flowchart of a method for removing noise from a signal using a wearable multi-channel optoelectronic pulse wave measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining noise canceling effect of a cut SVD according to an embodiment of the present invention,
6 is a view for explaining noise canceling effect of a cut SVD according to another embodiment of the present invention,
FIG. 7 is a graph showing distribution of RMSE for each exercise intensity and each method according to an embodiment of the present invention, FIG.
Figure 8 shows an example segment of the results for various methods,
FIG. 9 is a diagram showing an RMSE distribution for a medium intensity exercise and a hard intensity exercise according to the number of used channels.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: There will be. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “…부” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when an element is referred to as " comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise. In addition, the term "Quot; and " part " refer to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented in hardware, software, or a combination of hardware and software.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치의 개략적인 구성도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱부의 구성의 일 예를 도시한 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2 층의 양면 인쇄 회로 기판의 일 예를 도시한 도면이다. FIG. 1 is a schematic block diagram of a wearable multi-channel photoelectric pulse wave measuring apparatus according to an embodiment of the present invention; FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of a sensing unit according to an embodiment of the present invention; 2 is a diagram showing an example of a double-sided printed circuit board according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치(100)는 센싱부(110), 잡음 제거부(120) 및 심박수 측정부(130)를 포함한다. 본 실시예에 따른 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치(100)는 시계형일 수 있다. Referring to FIG. 1, the wearable multi-channel photoelectrochemical pulse measurement apparatus 100 includes a sensing unit 110, a noise removing unit 120, and a heart rate measuring unit 130. The wearable multichannel photoelectrochemical measurement device 100 according to the present embodiment may be of a timepiece type.

센싱부(110)는 서로 다른 측정 지점(site)에서 측정된 다수 개의 PPG 신호를 동시에 수집한다. 센싱부(110)는 멀티 채널 PPG 센서를 포함할 수 있으며, 멀티 채널 PPG 센서는 다중 포토 센서일 수 있다. 멀티 채널 PPG 센서는, LED(113, 도 2 참조)와 광 검출기(111, 도 2 참조)의 쌍이 동일 측에 배치되는 반사형(reflectance type) PPG 센서일 수 있다. 포토 센서의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 광 검출기(111)와 녹색광을 방출하는 570nm LED(113)의 한 쌍으로 구성될 수 있다. 한편, 포토 센서는 NJL5303R일 수 있다. 보다 상세하게, 도 2를 참조하면, 9개의 포토 센서가 배치되어 센싱을 수행할 수 있으며, 각 포토 센서 사이의 거리는 7mm일 수 있다. 이때, 각 포토 센서는 아크릴로 코팅된 1mm의 돌출형일 수 있으며, 시계베이스는 광학 및 땀 차폐를 위해 검은색으로 칠해질 수 있다. 시계 외관은 3D 프린터를 통해 인쇄될 수 있다. The sensing unit 110 simultaneously collects a plurality of PPG signals measured at different measurement sites. The sensing unit 110 may include a multi-channel PPG sensor, and the multi-channel PPG sensor may be a multiple photo sensor. The multi-channel PPG sensor may be a reflectance type PPG sensor in which a pair of the LED 113 (see FIG. 2) and the photodetector 111 (see FIG. 2) are arranged on the same side. In the case of the photo sensor, as shown in FIG. 2, the photo detector 111 and the 570-nm LED 113 may emit green light. On the other hand, the photosensor may be NJL5303R. More specifically, referring to FIG. 2, nine photosensors may be disposed to perform sensing, and the distance between the photosensors may be 7 mm. At this time, each photo sensor may be a 1 mm protruding type coated with acryl, and the clock base may be painted black for optical and sweat shielding. The clock face can be printed through a 3D printer.

센싱부(110)는 LED(113)에 공급되는 전류를 제어하기 위한 금속 산화물 실리콘 전계 효과 트랜지스터 및 디지털-아날로그 변환기를 포함하는 LED 구동 회로를 포함한다. LED 구동 회로는 전류를 제어하기 위해 금속 산화물 실리콘 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)와 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 포함한다. LED(113)의 밝기는 DAC의 값에 따라 변하고, 반사된 PPG 신호의 진폭은 밝기에 따라 조정될 수 있다. 각 광 검출기(111)에서 얻은 각 PPG 신호는 트랜스 임피던스 증폭기(trans-impedance amplifiers)를 통해 전압 신호로 변환된다. 이어서, 잡음(noise)을 갖는 변환된 작은 전압 신호는 증폭 및 아날로그 필터를 통한 필터링을 거친다. 각 전압 신호는 0.5와 10Hz의 차단 주파수를 갖는 능동 필터(MCP6004, Microchip)를 사용하여 증폭되고 필터링된다. 필터링된 신호는 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU, TM4C123GH6PMI, Texas Instruments)에 내장된 12비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 사용하여 디지털 데이터로 변환된다. 디지털 데이터는 100Hz 샘플링 속도로 변환되어 마이크로 SD 카드(SDSQUNB-016G, SanDisk)에 저장된다. 또한, 데이터는 블루투스(HM-11, JNHuaMao Technology)를 통해 통신할 수 있다. 블루투스 통신 기능을 통해 안드로이드와 아이폰에서 사용할 수 있는 스마트폰 응용 프로그램을 구현할 수 있다. 이러한 응용 프로그램은 개발된 센서와 무선으로 통신할 수 있다. 센서에 필요한 전력은 3.3V 출력을 갖는 낮은 전압 강하 레귤레이터(low dropout regulator)로 설계된다. The sensing portion 110 includes an LED driving circuit including a metal oxide silicon field effect transistor and a digital-analog converter for controlling a current supplied to the LED 113. [ The LED driver circuit includes a metal oxide silicon field effect transistor (MOSFET) and a digital-to-analog converter (DAC) to control the current. The brightness of the LED 113 changes according to the value of the DAC, and the amplitude of the reflected PPG signal can be adjusted according to the brightness. Each PPG signal obtained from each photodetector 111 is converted into a voltage signal through trans-impedance amplifiers. Subsequently, the converted small voltage signal with noise is amplified and filtered through an analog filter. Each voltage signal is amplified and filtered using an active filter (MCP6004, Microchip) with cutoff frequencies of 0.5 and 10 Hz. The filtered signal is converted to digital data using a 12-bit analog-to-digital converter (ADC) embedded in a microcontroller unit (MCU, TM4C123GH6PMI, Texas Instruments). Digital data is converted to a 100 Hz sampling rate and stored on a micro SD card (SDSQUNB-016G, SanDisk). The data can also be communicated via Bluetooth (HM-11, JNHuaMao Technology). The Bluetooth communication function enables you to implement smartphone applications that can be used on Android and iPhone. These applications can communicate wirelessly with the developed sensor. The power required for the sensor is designed as a low dropout regulator with a 3.3V output.

보다 구체적으로, 센싱부(110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 2 층의 양면 인쇄 회로 기판(a two-layered double sided printed circuit boards)으로 구성될 수 있다. 이때, 도 3의 (a)는 하부층(bottom layer)의 상부면(the top face) 및 하부면(the bottom face), 도 3의 (b)는 상부층(top layer)의 상부면(the top face) 및 하부면(the bottom face)을 나타낸다. 하부층(bottom layer)은 상부면(the top face)에 아날로그 회로를 포함하고, 하부면(the bottom face)에 감지 소자를 포함한다. 상부층(top layer)은 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 상부면(the top face)에는 사용자 상호 작용 구성요소 및 하부면(the bottom face)에는 디지털 신호 처리 신호 구성 요소를 포함한다. 하부층(bottom layer)에는 손목에 직접 접촉하여 PPG 신호를 측정하기 위해 광 감지기와 570nm(녹색) LED(113)의 각 쌍과 관련된 9개의 포토 센서(311)가 하부면(the bottom face)에 배치된다. LED 구동 회로(312), 9 개의 능동 필터(313) 및 보드-보드 커넥터(board to board connector)(314)는 상부면(the top face)에 배치된다. 필터링된 신호는 보드 대 보드 커넥터(314)를 통해 상부층(top layer) PCB로 전송된다. 3.7V 180mAh 충전식 리튬 폴리머 배터리(DTP 551430, DTP Battery)(미도시)는 상부층 및 하부층 사이(between the two top and bottom layers)의 공간에 배치된다. 상부층(top layer)의 하부면(the bottom face)에서 필터링된 신호가 MCU(315)에 입력되어 측정된 9개의 PPG 신호에서 잡음 제거가 수행된다. 잡음 제거 방법에 대한 설명은, 도 4를 통해 보다 상세히 하기로 한다. SD 카드(316)와 낮은 전압 강하 레귤레이터(317)도 하부면에 배치된다. 상부층(top layer)의 상부면(the top face)에는 무선 통신, PPG 신호 및 HR(heart rate : 심박수)의 실시간 모니터링, 측정 시작/정지 처리를 위한 블루투스 모듈(318), 유기 LED(113)(OLED(113)) 화면(319) 및 전환 버튼이 각각 배치된다. 또한, 상부층(top layer)의 하부면(the bottom face)에는 하부층(bottom layer)의 상부면(the top face)의 보드-보드 커넥터(314)와 연결되는 보드-보드 커넥터(320)가 배치되어, 필터링된 신호를 수신한다.More specifically, the sensing unit 110 may be configured as a two-layered double sided printed circuit boards, as shown in FIG. 3 (a) shows the top face and the bottom face of the bottom layer, and FIG. 3 (b) shows the top face of the top layer. ) And the bottom face. The bottom layer includes analog circuitry on the top face and includes a sensing element on the bottom face. The top layer includes a user interaction component on the top face and a digital signal processing signal component on the bottom face, as shown in Figure 3 (b). In the bottom layer, nine photosensors 311 associated with each pair of photodetector and 570nm (green) LEDs 113 are placed on the bottom face to measure the PPG signal in direct contact with the wrist. do. LED drive circuitry 312, nine active filters 313, and a board to board connector 314 are disposed on the top face. The filtered signal is transmitted to the top layer PCB via the board-to-board connector 314. A 3.7V 180mAh rechargeable lithium polymer battery (DTP 551430, DTP Battery) (not shown) is placed in the space between the top and bottom layers. A filtered signal at the bottom face of the top layer is input to the MCU 315 to perform noise cancellation on the measured nine PPG signals. A description of the noise cancellation method will be described in more detail with reference to FIG. The SD card 316 and the low voltage drop regulator 317 are also disposed on the lower surface. The top face of the top layer is provided with a Bluetooth module 318 for real-time monitoring of wireless communication, a PPG signal and HR (heart rate), a measurement start / stop process, an organic LED 113 OLED 113) screen 319 and a switch button are respectively arranged. A board-to-board connector 320 is also disposed on the bottom face of the top layer to connect to the board-to-board connector 314 of the top face of the bottom layer , And receives the filtered signal.

잡음 제거부(120)는 센싱부(110)를 통해 수집된 다수 개의 PPG 신호에 절삭된 특이값 분해(Singular Value Decomposition : 이하 SVD)를 적용하여 잡음을 제거할 수 있다. The noise removing unit 120 may remove noise by applying a singular value decomposition (SVD) to the plurality of PPG signals collected through the sensing unit 110.

심박수 측정부(130)는 잡음 제거부(120)를 통해 잡음이 제거된 신호에서 심박수(heart rate)를 측정할 수 있다. 이때, 심박수 측정부(130)가 심박수를 측정하는 방법은 공지된 반사형 광전용적맥파 측정 장치(Photoplethysmography)에서의 측정 방법과 동일하므로, 본 실시예에서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. The heart rate measuring unit 130 may measure the heart rate in the noise-canceled signal through the noise removing unit 120. At this time, the method of measuring the heart rate by the heart rate measuring unit 130 is the same as that of the known photoplethysmography method, so that detailed description thereof will be omitted in the present embodiment.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치를 이용한 신호에서 잡음을 제거하는 방법의 개략적인 흐름도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭된 SVD의 잡음제거 효과를 설명하기 위한 도면, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 절삭된 SVD의 잡음제거 효과를 설명하기 위한 도면, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 운동 강도와 각 방법에 대한 RMSE의 분포를 도시한 도면이다.FIG. 4 is a schematic flowchart of a method for removing noise from a signal using a wearable multichannel photoelectrochemical pulse wave measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for removing noise from a cut SVD according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 6 is a view for explaining noise removing effect of a cut SVD according to another embodiment of the present invention. FIG. 7 is a view for explaining the effect of each exercise intensity and each method RMSE distribution in the second embodiment.

도 4를 참조하면, 먼저, 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치(100)는 서로 다른 측정 지점(site)에서 측정된 다수 개의 PPG 신호를 동시에 수집한다(S410). 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치(100)는 피험자의 손목에 착용되어 서로 다른 위치에 있는 9개의 포토 센서를 통해 다수 개의 PPG 신호를 동시에 수집한다. Referring to FIG. 4, the wearable multi-channel opto-electrical pulse-wave measuring apparatus 100 simultaneously collects a plurality of PPG signals measured at different measurement sites (S410). The wearable multichannel photoelectrochemical pulse wave measuring apparatus 100 collects a plurality of PPG signals simultaneously through nine photosensors that are worn on the subject's wrists and at different positions.

이후, 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치(100)는 수집된 다수 개의 PPG 신호에 절삭된 특이값 분해(SVD)를 적용하여 잡음을 제거한다(S420). 이하, 본 실시예에 따른 수집된 다수 개의 PPG 신호에 절삭된 특이값 분해(SVD)를 적용하여 잡음을 제거하는 과정을 상세히 설명하기로 한다.Thereafter, the wearable multi-channel optoelectronic pulse wave measuring apparatus 100 removes noise by applying cut singular value decomposition (SVD) to the collected plurality of PPG signals (S420). Hereinafter, a process of eliminating noise by applying the cut singular value decomposition (SVD) to a plurality of collected PPG signals according to the present embodiment will be described in detail.

<수집된 다수 개의 PPG 신호에 절삭된 특이값 분해(SVD)를 적용하여 잡음을 제거하는 과정>&Lt; Process of removing noise by applying cut singular value decomposition (SVD) to a plurality of collected PPG signals >

본 실시예를 설명함에 있어서, 모든 채널 신호(

Figure pat00011
)는 아래의 수학식 1과 같이 2차원 행렬(P)로 표현한다. In describing the present embodiment, all channel signals (
Figure pat00011
) Is expressed by a two-dimensional matrix P as shown in the following equation (1).

Figure pat00012
Figure pat00012

이때, 각 채널 펄스 신호는

Figure pat00013
에 나타난다. 여기서, n은 샘플 시간이고, 채널수는 k(k=1,2, …, K)이다. 수학식 1에서, 각 행은 각 채널 k로부터의 펄스 신호에 해당하고, N은 샘플들의 수이다. 본 실시예에 따르면, 멀티 채널 PPG 센서에서 잡음을 제거하기 위해 9 채널에 각각 샘플링 속도 100(K=9 및 N=500)의 5초 창을 사용한다. 측정된 다중 펄스 신호에 특이값 분해(SVD)를 적용한다. 특이값 분해(SVD)의 주요 특징은 주기적 또는 준 주기적 프로세스를 분석하는데 사용할 수 있는 시스템을 구성하는 기본 구조 모드를 분리하는 것이다. At this time, each channel pulse signal
Figure pat00013
Lt; / RTI &gt; Here, n is the sample time, and the number of channels is k (k = 1, 2, ..., K). In Equation (1), each row corresponds to a pulse signal from each channel k, and N is the number of samples. According to the present embodiment, a 5 second window having a sampling rate of 100 (K = 9 and N = 500) is used for 9 channels in order to remove noise from the multi-channel PPG sensor. Apply singular value decomposition (SVD) to the measured multi-pulse signals. A key feature of singular value decomposition (SVD) is the separation of the fundamental structure modes that make up a system that can be used to analyze periodic or quasi-periodic processes.

특이값 분해(SVD)를 사용하면 상기 수학식 1을 통해 표현된 행렬(P)을 아래의 수학식 2와 같이 분해할 수 있다. Using singular value decomposition (SVD), the matrix P expressed by Equation (1) can be decomposed as shown in Equation (2) below.

Figure pat00014
Figure pat00014

여기서, 시그마(

Figure pat00015
Figure pat00016
)는 행렬 P의 특이값에 해당하며, U와 V는 시그마(
Figure pat00017
Figure pat00018
)의 각각 왼쪽과 오른쪽의 특이 벡터이다. 보다 구체적으로,
Figure pat00019
Figure pat00020
의 고유 벡터는 U의 열을 구성하고,
Figure pat00021
Figure pat00022
의 고유 벡터는 V의 열을 구성한다. 여기서, 본 실시예에 따른 멀티 채널 PPG 센서의 경우, U와 V는 각각 500x500과 9x9 행렬이다. 시그마(
Figure pat00023
Figure pat00024
)의 특이값
Figure pat00025
Figure pat00026
Figure pat00027
Figure pat00028
또는
Figure pat00029
Figure pat00030
로부터의 고유값의 제곱근이며, 대각 행렬은 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.Here, sigma (
Figure pat00015
Figure pat00016
) Corresponds to the singular value of the matrix P, and U and V are sigma
Figure pat00017
Figure pat00018
) Are the left and right singular vectors, respectively. More specifically,
Figure pat00019
Figure pat00020
&Lt; / RTI &gt; eigenvectors of &lt; RTI ID = 0.0 &
Figure pat00021
Figure pat00022
&Lt; / RTI &gt; constitutes a column of V. &lt; RTI ID = In the case of the multi-channel PPG sensor according to the present embodiment, U and V are 500x500 and 9x9 matrices, respectively. Sigma
Figure pat00023
Figure pat00024
)
Figure pat00025
Figure pat00026
The
Figure pat00027
Figure pat00028
or
Figure pat00029
Figure pat00030
And the diagonal matrix can be expressed by Equation (3) below. &Quot; (3) &quot;

Figure pat00031
Figure pat00031

U, V 및 시그마(

Figure pat00032
Figure pat00033
)의 전체 랭크(full rank)에서 랭크(rank)를 감소시키고 P를 근사화한다. 감소된 랭크(rank)는 첫번째 가장 큰 특이값과 관련된 U와 V의 열을 사용한다. 절삭된(truncated) 특이값과 벡터를
Figure pat00034
Figure pat00035
,
Figure pat00036
Figure pat00037
Figure pat00038
Figure pat00039
로 나타낸다. 그러면, 행렬(P)을 아래의 수학식 4와 같이 근사화할 수 있다.U, V, and sigma
Figure pat00032
Figure pat00033
) &Lt; / RTI &gt; and approximates P at the full rank of &lt; RTI ID = 0.0 &gt; The reduced rank uses the columns of U and V associated with the first largest singular value. The truncated singular values and vector
Figure pat00034
Figure pat00035
,
Figure pat00036
Figure pat00037
And
Figure pat00038
Figure pat00039
Respectively. Then, the matrix P can be approximated as shown in Equation (4) below.

Figure pat00040
Figure pat00040

여기서,

Figure pat00041
는 근사 또는 재구성된 P이며, 아래의 수학식 5에 의해 표현될 수 있다.here,
Figure pat00041
Is an approximate or reconstructed P, and can be expressed by the following equation (5).

Figure pat00042
Figure pat00042

이때,

Figure pat00043
에 대응하는 각각의 행 벡터는 각각의 k번째 채널에서 잡음이 제거된 신호가 된다. 상술한 수학식 4에서 절삭된 SVD의 효과를 설명하기 위해, 휴식 중에 본 실시예에 따른 멀티 채널 PPG 센서로 5초 동안 9개의 채널을 통해 손목의 펄스 신호를 동시에 측정했다. 도 5의 (a)는 9개의 채널 신호 중 하나를 나타낸다. 다음으로, 도 5의 (b)와 같이 5dB의 신호대 잡음비(SNR)로 각 채널 신호에 AWGN(additive white Gaussian noise)을 추가했다. SVD를 이용하여, U, V 및 시그마(
Figure pat00044
Figure pat00045
)를 얻었으며, 도 5의 (c) 에서
Figure pat00046
Figure pat00047
, 도 5 (d)에서
Figure pat00048
Figure pat00049
, 도 5 (e)에서
Figure pat00050
Figure pat00051
의 분해된 신호를 나타내었다. 이것을 통해, 랭크(rank) 1의 특이값과 특이 벡터가 깨끗한 신호를 주요 구성 요소로 제공함을 보여준다. 결과적인 특이값과 정보 에너지에 상응하는 값은 아래의 표 1에 나타내었다. At this time,
Figure pat00043
Each of the row vectors corresponding to the k &lt; th &gt; In order to illustrate the effect of the cut SVD in the above equation (4), the pulse signal of the wrist was simultaneously measured through 9 channels for 5 seconds with the multi-channel PPG sensor according to the present embodiment during resting. 5 (a) shows one of nine channel signals. Next, AWGN (additive white Gaussian noise) is added to each channel signal with a signal-to-noise ratio (SNR) of 5 dB as shown in FIG. 5 (b). Using SVD, U, V, and sigma (
Figure pat00044
Figure pat00045
), And in FIG. 5 (c)
Figure pat00046
Figure pat00047
, Fig. 5 (d)
Figure pat00048
Figure pat00049
, Fig. 5 (e)
Figure pat00050
Figure pat00051
And the decomposed signal of FIG. This shows that the singular values and singular vectors of rank 1 provide a clean signal as a key component. The resulting singular values and values corresponding to the information energies are shown in Table 1 below.

Figure pat00052
Figure pat00052

여기서,

Figure pat00053
Figure pat00054
Figure pat00055
Figure pat00056
(n=1, 2,… 9)의 합이고, ER(energy ratio)은 각 정보 에너지(
Figure pat00057
Figure pat00058
)를 총 에너지(
Figure pat00059
Figure pat00060
)로 나눈값이다. 첫번째 특이값(
Figure pat00061
Figure pat00062
)의 정보 에너지 비율은 총 정보 에너지(
Figure pat00063
Figure pat00064
)의 78.94%였다. 이를 통해 볼 때, 결과적으로 잡음 제거가
Figure pat00065
Figure pat00066
에서만 효율적이라는 것을 의미한다. 지배적인 특이값(
Figure pat00067
Figure pat00068
)과 그 좌우의 특이 벡터
Figure pat00069
Figure pat00070
Figure pat00071
Figure pat00072
은 모든 채널을 통해 주성분을 형성한다. 다른 나머지 분해 신호(
Figure pat00073
Figure pat00074
내지
Figure pat00075
Figure pat00076
)도 순전히 잡음 신호이다. 따라서, 잡음 제거는 아래의 수학식 6과 같이 랭크(rank)가 1인 절삭된 SVD로 수행되는 것이 바람직하다.here,
Figure pat00053
Figure pat00054
silver
Figure pat00055
Figure pat00056
(n = 1, 2, ... 9), ER (energy ratio) is the sum of each information energy
Figure pat00057
Figure pat00058
) To total energy (
Figure pat00059
Figure pat00060
). The first singular value (
Figure pat00061
Figure pat00062
) Is the total information energy (
Figure pat00063
Figure pat00064
). As a result, noise cancellation
Figure pat00065
Figure pat00066
It is only effective. The dominant singular value (
Figure pat00067
Figure pat00068
) And its left and right singular vectors
Figure pat00069
Figure pat00070
and
Figure pat00071
Figure pat00072
Form the main component through all channels. Other remaining decomposition signals (
Figure pat00073
Figure pat00074
To
Figure pat00075
Figure pat00076
) Is also purely a noise signal. Therefore, it is preferable that the noise cancellation is performed with the cut SVD having a rank of 1 as shown in Equation (6) below.

Figure pat00077
Figure pat00077

여기서, 주성분

Figure pat00078
Figure pat00079
은 스케일링 벡터
Figure pat00080
Figure pat00081
과 연관된다. 또한,
Figure pat00082
Figure pat00083
,
Figure pat00084
Figure pat00085
,
Figure pat00086
Figure pat00087
의 크기는 각각 500x1, 1x1, 500x1로 감소된다. 잡음 제거 성능을 비교하기 위해, 수동으로 최상의 품질 신호를 선택하고, 도 5의 (f)와 (g)에 도시된 바와 같이 밴드 패스 필터와 경험적 모델 분해(EMD)를 적용했다. 밴드 패스 필터는 0.5와 10Hz의 차단 주파수로 적용되었다. 경험적 모델 분해(EMD) 결과에 대해, 먼저 첫번째 고유모드를 얻고, 측정된 신호에서 그것을 뺐다. 절삭된 SVD의 더 나은 성분은 다중 소스에서 비롯된다. SVD는 한 쌍의 고유 벡터 U와 V및 관련된 특이값 시그마(
Figure pat00088
Figure pat00089
)로 분해한다. 시그마(
Figure pat00090
Figure pat00091
)는 스케일링 벡터(
Figure pat00092
Figure pat00093
)와 연관된 주성분(
Figure pat00094
Figure pat00095
)을 제공한다. 각 채널에서 다른 SNR 레벨에 대한 잡음 제거 효과를 더 자세히 조사하기 위해, 9 채널의 클린 펄스 신호를 유사하게 얻었으며, AWGN의 다른 레벨을 추가(
Figure pat00096
Figure pat00097
에서 -30dB,
Figure pat00098
Figure pat00099
에서 -25dB,
Figure pat00100
Figure pat00101
에서 -20dB,
Figure pat00102
Figure pat00103
에서 -15dB,
Figure pat00104
Figure pat00105
에서 -10dB,
Figure pat00106
Figure pat00107
에서 -5dB,
Figure pat00108
Figure pat00109
에서 0dB,
Figure pat00110
Figure pat00111
에서 5dB,
Figure pat00112
Figure pat00113
에서 10dB)했다. 상술한 수학식 5의 분해에 기초하여,
Figure pat00114
Figure pat00115
을 근사화하고, 도 6에 도시된 바와 같이 잡음이 손상된
Figure pat00116
Figure pat00117
과 비교했다. 도 5와 유사하게, 랭크(rank) 1의 절삭된 SVD는 모든 채널을 통해 잡음 제거된 신호를 제공했다. Here,
Figure pat00078
Figure pat00079
Is a scaling vector
Figure pat00080
Figure pat00081
Lt; / RTI &gt; Also,
Figure pat00082
Figure pat00083
,
Figure pat00084
Figure pat00085
,
Figure pat00086
Figure pat00087
Are reduced to 500x1, 1x1 and 500x1, respectively. To compare the noise cancellation performance, we manually selected the best quality signal and applied a bandpass filter and empirical model decomposition (EMD) as shown in Figures 5 (f) and 5 (g). Bandpass filters were applied at cutoff frequencies of 0.5 and 10 Hz. For empirical model decomposition (EMD) results, we first get the first eigenmode, and we subtract it from the measured signal. The better components of the cut SVD originate from multiple sources. SVD is a pair of eigenvectors U and V and associated singular value sigma
Figure pat00088
Figure pat00089
). Sigma
Figure pat00090
Figure pat00091
) Is a scaling vector (
Figure pat00092
Figure pat00093
) &Lt; / RTI &gt;
Figure pat00094
Figure pat00095
). To further investigate the effect of noise reduction on different SNR levels in each channel, we obtained a similar 9-channel clean pulse signal and added another level of AWGN
Figure pat00096
Figure pat00097
To -30 dB,
Figure pat00098
Figure pat00099
To -25 dB,
Figure pat00100
Figure pat00101
To -20 dB,
Figure pat00102
Figure pat00103
To -15 dB,
Figure pat00104
Figure pat00105
To -10 dB,
Figure pat00106
Figure pat00107
-5dB,
Figure pat00108
Figure pat00109
0 dB,
Figure pat00110
Figure pat00111
5dB,
Figure pat00112
Figure pat00113
10dB). Based on the decomposition of the above-mentioned equation (5)
Figure pat00114
Figure pat00115
And as shown in FIG. 6,
Figure pat00116
Figure pat00117
. Similar to FIG. 5, the cut SVD of rank 1 provided a noise canceled signal over all channels.

또한, 운동이 몇 채널에서 거짓 펄스를 유도하는지 고려할 수 있으며, 거짓 펄스 감소를 조사하기 위해, 9개 채널 중 하나의 채널에서만 깨끗한 신호에 거짓 펄스를 추가했다. 깨끗한 펄스 신호의 20%, 50% 및 100%로 거짓 펄스 진폭을 각각 변경했다. 도 6의 (b) 내지 (d)에 절삭된 SVD로부터 생성된 재구성된 신호가 도시되어 있는데, 이는 다수의 소스 및 SVD로부터의 분해 특징을 이용하여 거짓 펄스 진폭에 관계없이 거짓 펄스가 감소됨을 나타낸다. 또한, 거짓 펄스에 의해 동시에 손상된 채널 수가 증가된 것을 확인할 수 있다. 조사를 위해, 클린 신호와 동일한 레벨(100%)로 거짓 펄스 진폭을 설정하고 도 6의 (d)에 도시된 바와 같이, 손상된 채널을 3까지 증가시켰다. 절삭된 SVD의 결과, 신호는 거짓 펄스의 진폭이 손상된 채널 1개가 있는 경우 1%, 손상된 채널 2개가 있는 경우 7%, 손상된 채널이 3개가 있는 경우 19%로 감소되었음을 보여준다.You can also consider whether the motion induces false pulses in several channels, and add false pulses to the clean signal in only one of the nine channels to investigate the false pulse reduction. We changed the false pulse amplitude to 20%, 50%, and 100% of the clean pulse signal, respectively. The reconstructed signal generated from the cut SVD is shown in Figures 6 (b) to 6 (d), which illustrates the use of the decomposition feature from multiple sources and SVD to reduce the false pulse irrespective of the false pulse amplitude . Also, it can be confirmed that the number of simultaneously damaged channels is increased by the false pulse. For investigation, the false pulse amplitude was set to the same level (100%) as the clean signal and the damaged channel was increased to 3, as shown in Figure 6 (d). As a result of the cut SVD, the signal shows that the amplitude of the false pulse was reduced to 1% with one damaged channel, 7% with two damaged channels and 19% with three damaged channels.

마지막으로, 상기 잡음이 제거된 신호에서 심박수(heart rate)를 측정한다(S430). 본 실시예에 따른 멀티 채널 PPG 센서를 기반으로 한 절삭된 SVD를 이용한 심박수(heart rate) 측정을 평가하기 위해, Bruce 프로토콜의 수정된 버전에 대한 실험을 수행했다. Bruce 프로토콜은 트레드밀 위에서 워밍업을 위한 보행 5분, 중간 강도의 조깅 10분, 5분 휴식(걷기) 그리고, 추가적으로 강렬한 조깅 10분 및 쿨링 다운을 위한 걷기 5분 등을 포함한다. 중간 강도 조깅의 첫번째 세션의 경우, 기울기는 12도였고, 속도는 4.0km/h였다. 강도가 높은 조깅의 두번째 세션에서는, 경사와 속도가 각각 20도와 6.4km/h로 증가했다. 절삭된 SVD로부터 생성된 재구성된 펄스 신호가 각 채널로부터 얻어질 수 있기 때문에, 최소 평균 제곱근 차이(percent root mean square difference : 이하 PRD)를 제공하는 하나의 채널을 선택했다. PRD는 아래의 수학식 7과 같이 구할 수 있다. Finally, the heart rate is measured in the noise-free signal (S430). In order to evaluate the heart rate measurement using the cut SVD based on the multi-channel PPG sensor according to this embodiment, an experiment was conducted on a modified version of the Bruce protocol. The Bruce protocol includes 5 minutes of walking for warm-up on a treadmill, 10 minutes of jogging at medium strength, 5 minutes of rest (walking), 10 minutes of intense jogging and 5 minutes of walking for cooling down. For the first session of medium strength jogging, the slope was 12 degrees and the speed was 4.0 km / h. In the second session of intense jogging, the slope and speed increased to 20 and 6.4 km / h, respectively. Since a reconstructed pulse signal generated from the cut SVD can be obtained from each channel, we chose one channel that provides a percent root mean square difference (PRD). PRD can be obtained as shown in Equation (7) below.

Figure pat00118
Figure pat00118

각 채널의 재구성된 펄스 신호는 신호 품질에 관계없이 거의 중첩되어 있기 때문에 랜덤 선택도 허용된다. 재구성된 단일 펄스 신호로, 가변 컷 - 오프 주파수, HR에 대응하는 초기 지배 주파수의 스펙트럼 추정치, 순위 - 순서 비선형 필터 및 결정 논리를 갖는 필터 뱅크를 통합함으로써 펄스 피크를 연속적으로 발견했다. 측정된 심박수(HR) 값을 평가하기 위해, 24시간 홀터 모니터(SEER Light, GE Healthcare, Milwaukee, WI, USA)를 사용하여 심전도 데이터를 동시에 기록했다. 오류 분석을 위해, 다음과 같이 정의된 각 주제에 대해 아래의 수학식 8과 같은 RMSE(root mean squared error : 제곱 평균 오차)를 사용했다.Random selection is also allowed since the reconstructed pulse signals of each channel are nearly superposed regardless of signal quality. With a reconstructed single pulse signal, pulse peaks were successively found by incorporating a filter bank with a variable cut-off frequency, a spectral estimate of the initial dominant frequency corresponding to HR, a rank-order nonlinear filter and decision logic. Electrocardiographic data were recorded simultaneously using a 24 hour Holter monitor (SEER Light, GE Healthcare, Milwaukee, WI, USA) to evaluate the measured heart rate (HR) values. For error analysis, root mean squared error (RMSE) was used for each subject defined as follows:

Figure pat00119
Figure pat00119

여기서,

Figure pat00120
Figure pat00121
는 i번째 5초 데이터 세그먼트에서 본 실시예에 따른 센서 및 알고리즘으로부터 추정된 심박수(HR)(bpm)이고,
Figure pat00122
Figure pat00123
는 i번째 홀터의 심박수(HR) 5초 데이터 세그먼트에서 홀터로부터의 심박수(HR)(bpm)이다. 본 실시예에 따른 방법을 단일 채널 접근 방식(A), 다중 채널 가중 방식(B) 및 다중 채널 기반 최상의 채널 선택 방식(C) 등의 세가지 접근 방식과 비교했다. 단일 채널 방식(A)의 경우, 중간 포토 센서를 선택하고 분석을 수행했다. 다중 채널 가중 방식(B)의 경우, 교차 분석을 통해 9개의 채널 신호 모두의 신호 품질을 평가했으며, 각 채널은 각 펄스 템플릿을 사용하여 매 5초 데이터 세그먼트마다 계산되었다. 템플릿은 각 데이터 세그먼트에 대한 평균 비트 수를 사용하여 각 채널 신호에서 생성되었다. 그런 다음, 상관값을 정규화하고 각 값에 해당 신호를 곱한다. 다중 채널 기반 최상의 채널 선택 방식(C)의 경우, 다중 채널 잡음 레벨(MCNL)을 양자화하고, 5초 데이터 세그먼트마다 최소 모션 아티팩트(motion artifacts)가 있는 채널을 선택하기 위해 다중 채널 템플릿 매칭 알고리즘에 적용했다. 통계적 차이는 t-테스트(P<0.05)를 사용하였다. 도 7을 참조하면, 운동강도는 걷기, 중간 강도 운동 및 강렬한 운동으로 분류되며, 이에 대한 결과는 각각 도 7의 (a), (b), (c)에 나타내었다. 즉, 도 7의 (a) 내지 (c)에는 단일 채널 방법, 다중 채널 가중 방법, 다중 채널 최상의 신호 선택 방법 및 제안된 방법에서의 RMSE 분포가 도시되어 있다. 걷기는 워밍업, 휴식 및 쿨 다운 단계를 포함한다. 그래프의 위쪽과 아래쪽에 있는 다이아몬드는 5번째와 95번째 백분위 수를 나타내며, 위쪽과 아래쪽의 사각형은 10번째와 90번째 백분위 수를 나타낸다. 상단과 하단의 수염은 75번째와 25번째 백분위 수를 나타내며 원은 중간값을 나타낸다. 걷기에서 RMSE의 중앙값은 모든 방법에서 0.6bpm의 범위 이내였다. 단일 채널의 경우 5.10bpm, 다중 채널 가중 방법의 경우 4.88bpm, 다중 채널 최상의 신호 선택의 경우 5.23bpm 및 제안된 방법의 경우 4.63bpm이었다. 제안된 방법은 중간값이 가장 낮지만, 단일 방법을 제외하고는 통계적으로 유의하지 않다. 중간 강도 운동에서 제안된 방법은 단일 채널의 경우 7.35bpm, 다중 채널 가중 방법의 경우 6.12bpm, 다중 채널 최상의 신호 선택의 경우 7.14bpm, 제안된 방법의 경우 5.29bpm의 중간값을 제공한다. 제안된 방법의 결과는 모든 방법에 대해 통계적으로 중요하다. 강도 높은 운동에서 단일 채널의 경우 10.05bpm, 다중 채널 웨이팅 방법의 경우 6.79bpm, 다중 채널 최상의 신호 선택의 경우 7.41bpm를 나타내고, 제안 방법의 경우 5.79bpm의 최저 중간값도 제공한다. 평가를 위해 ECG Lead-I를 사용했다. 비록 제안된 방법을 이용하는 경우 ECG(심전도) 신호의 모션 아티팩트(motion artifacts)를 최소화했지만, 모션 아티팩트(motion artifacts)는 발견되었다. 불완전한 기준 신호는 비교적 높은 오차를 야기했다. 표 II는 각 운동 강도와 각 방법에 대한 RMSE의 중앙값과 표준 편차를 요약한 것이다.here,
Figure pat00120
Figure pat00121
(HR) (bpm) estimated from the sensor and algorithm according to the present embodiment in the i-th 5-second data segment,
Figure pat00122
Figure pat00123
HR is the heart rate HR of the i-th Holter (HR) (bpm) from the Holter in the 5-sec data segment. The method according to the present embodiment is compared with three approaches such as a single channel approach (A), a multi-channel weighting scheme (B) and a multi-channel based best channel selection scheme (C). For the single channel method (A), an intermediate photosensor was selected and analyzed. For the multi-channel weighting scheme (B), the signal quality of all nine channel signals was evaluated through a crosstalk analysis, and each channel was calculated for each 5 second data segment using each pulse template. The template was generated in each channel signal using the average number of bits for each data segment. Then, the correlation value is normalized and each value is multiplied by the corresponding signal. For multi-channel based best channel selection method (C), it is applied to multi-channel template matching algorithm to quantize multi-channel noise level (MCNL) and select the channel with minimum motion artifacts per 5 second data segment did. The statistical difference was the t-test (P <0.05). Referring to FIG. 7, the exercise intensity is classified into walking, middle intensity exercise, and intense exercise, and the results are shown in FIGS. 7 (a), 7 (b) and 7 (c). That is, FIGS. 7A to 7C show the RMSE distribution in the single channel method, the multi-channel weighting method, the multi-channel best signal selection method, and the proposed method. Walking includes warm-up, rest, and cooldown stages. The diamonds at the top and bottom of the graph represent the 5th and 95th percentiles, and the top and bottom squares represent the 10th and 90th percentiles. The beard at the top and bottom represents the 75th and 25th percentiles, and the circle represents the median. The median RMSE in walking was within 0.6 bpm for all methods. 5.10 bpm for single channel, 4.88 bpm for multi-channel weighted method, 5.23 bpm for multi-channel best signal selection and 4.63 bpm for the proposed method. The proposed method has the lowest median but is not statistically significant except for the single method. The proposed method for medium intensity motion provides a median of 7.35 bpm for a single channel, 6.12 bpm for a multi-channel weighting method, 7.14 bpm for a multi-channel best-case signaling, and 5.29 bpm for a proposed method. The results of the proposed method are statistically significant for all methods. For intensive motion, we show 10.05 bpm for a single channel, 6.79 bpm for a multi-channel weighting method, 7.41 bpm for a multi-channel best signal selection, and the lowest median of 5.79 bpm for the proposed method. I used ECG Lead-I for evaluation. Although the proposed method minimizes the motion artifacts of the ECG signal, motion artifacts have been found. Incomplete reference signals caused relatively high errors. Table II summarizes the median and standard deviation of each exercise intensity and RMSE for each method.

Figure pat00124
Figure pat00124

상기 표 2는, 단일 채널 방법, 다중 채널 가중 방법, 다 채널 최적 채널 선택 방법 및 제안된 방법의 성능에 대한 비교 결과로, 걷기, 중간 강도 운동 및 강한 강도 운동에 대한 RMSE의 평균 및 표준 편차가 나타나 있다. Table 2 above shows the average and standard deviation of the RMSE for walking, medium intensity and strong intensity motion as a result of comparing the performance of the single channel method, the multi channel weight method, the multi channel optimum channel selection method and the proposed method Is shown.

도 8은 상술한 다양한 방법에 대한 결과의 한 세그먼트 예를 보여준다.Figure 8 shows an example segment of the results for the various methods described above.

도 8의 (a) 내지 (i)는 본 실시예에 따른 멀티 채널 PPG 센서에서 측정된 각 채널 신호를 보여준다. 이를 통해 볼 때, 측정된 신호가 채널에 따라 다르다는 것을 알 수 있다. 도 8의 (j) 내지 (l)은 각각 다중 채널 가중 방법, 다중 채널 최상의 신호 선택 방법 및 제안된 방법에 대한 결과를 보여준다. 결과적으로, 제안된 방법은 다중 채널 가중 방법보다 낮은 거짓 펄스 진폭을 제공하는 것을 확인할 수 있다. 한편, 다중 채널 최상의 신호 선택 방법은 채널을 잘못 선택하였다. 이것은 도 8의 (i)에서 9번째 채널 신호가 템플릿 신호와 가장 높은 상관 관계를 제공한다는 것을 야기한다. 템플릿 신호는 펄스폭을 고려해야 한다. 그러나 운동 중에 진폭 및 펄스 폭의 펄스 모양이 동적으로 변한다. 따라서, 최적의 신호만이 선택된다면, 시변 펄스 형상은 덜 정확한 모션 아티팩트(motion artifacts) 감소를 초래할 수 있다. 8 (a) to (i) show respective channel signals measured in the multi-channel PPG sensor according to the present embodiment. From this, it can be seen that the measured signal varies from channel to channel. 8 (j) to (l) show the results of the multi-channel weighting method, the multi-channel best signal selection method, and the proposed method, respectively. As a result, it can be seen that the proposed method provides a lower false pulse amplitude than the multi-channel weighted method. On the other hand, the multi-channel best signal selection method selected the channel incorrectly. This causes (i) of FIG. 8 that the ninth channel signal provides the highest correlation with the template signal. The template signal must take into account the pulse width. However, the pulse shape of amplitude and pulse width changes dynamically during motion. Thus, if only the optimal signal is selected, the time-varying pulse shape may result in less accurate motion artifacts reduction.

또한, 제안된 방법을 평가하기 위해 각 방법에서의 거짓 펄스 진폭 감소를 조사했다. 각각의 거짓 펄스 진폭과 이전의 순수 펄스 진폭을 측정하고 거짓 펄스 진폭을 순수 펄스 진폭으로 나누었다. 원본 신호의 평균 비율은 0.24이다. 다중 채널 신호의 경우, 다중 채널 가중 방법, 다중 채널 최상의 신호 선택 방법 및 제안된 방법의 평균비는 0.23, 0.24 및 0.18이었다. 제안한 방법이 거짓 펄스 진폭을 25% 감소시켰다. We also investigated the false pulse amplitude reduction in each method to evaluate the proposed method. Each false pulse amplitude and previous pure pulse amplitude was measured and the false pulse amplitude divided by the pure pulse amplitude. The average rate of the original signal is 0.24. For the multi-channel signal, the average ratio of the multi-channel weighting method, multi-channel best signal selection method, and proposed method was 0.23, 0.24 and 0.18. The proposed method reduced the false pulse amplitude by 25%.

또한, 채널수의 영향을 조사했다. 도 9는 사용 채널수에 따른 중간 강도 운동 및 강도가 높은 운동(hard intensity exercise)에 대한 RMSE 분포를 나타낸다. 도 9에 도시된 바와 같이, 증가된 채널은 RMSE 값을 감소시켰다. 중간 강도 운동에서는 채널수가 4개까지 증가하면 오류가 감소한다(도 9의 (a) 참조). 4개 이상의 채널을 사용하는 경우 통계적으로 유의하지 않았다. 반면, 강도가 높은 운동에서는 채널수가 9로 증가함에 따라 오차가 지속적으로 감소했다(도 9의 (b) 참조).In addition, the influence of the number of channels was investigated. 9 shows the RMSE distribution for the medium intensity exercise and the hard intensity exercise according to the number of used channels. As shown in FIG. 9, the increased channel decreased the RMSE value. In the medium intensity motion, when the number of channels increases to four, the error decreases (see Fig. 9 (a)). There was no statistical significance when using more than 4 channels. On the other hand, in the case of a high-intensity motion, the error continuously decreased as the number of channels increased to 9 (see Fig. 9 (b)).

상술한 바와 같은 본 실시예에 따르면, 동종의(homogeneous) 멀티 채널 PPG 센서를 통해 약간 다른 측정 지점(site)에서 측정된 여러 개의 PPG 신호를 동시에 수집한 후, 신호에서 잡음을 제거하기 위해 절삭된(truncated) 특이값 분해(SVD)를 적용하였다. 이에 따라, 심박수 평가 정확도가 증가하고, 거짓 펄스 진폭이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 다시 말해, 본 실시예에 따르면, 특이값 분해(singular value decomposition : SVD)를 이용해 신호에서 효과적으로 모션 아티팩트(motion artifacts)를 제거하여 PPG 신호의 성능을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라, 고강도의 운동시에도 정확한 심박수의 측정이 가능한 효과를 갖는다. According to the present embodiment as described above, a plurality of PPG signals measured at slightly different measurement sites through a homogeneous multi-channel PPG sensor are collected at the same time, and then, truncated singular value decomposition (SVD) was applied. As a result, it was confirmed that the heart rate evaluation accuracy was increased and the false pulse amplitude was decreased. In other words, according to the present embodiment, the performance of the PPG signal can be improved by effectively removing motion artifacts from the signal by using singular value decomposition (SVD), and accordingly, It is possible to measure the heart rate accurately.

본 발명의 실시예에 따른 방법들은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는, 본 발명을 위한 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The methods according to embodiments of the present invention may be implemented in an application or implemented in the form of program instructions that may be executed through various computer components and recorded on a computer readable recording medium. The computer-readable recording medium may include program commands, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the computer-readable recording medium may be ones that are specially designed and configured for the present invention and are known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, magneto-optical media such as floptical disks, media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those generated by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules for performing the processing according to the present invention, and vice versa.

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

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

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. The present invention is not limited to the drawings.

100 : 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치
110 : 센싱부
111 : 광 검출기
113 : LED
120 : 잡음 제거부
130 : 심박수 측정부
311 : 멀티 채널 PPG 센서
312 : LED 구동회로
313 : 능동 필터
314, 320 : 보드-보드 커넥터
315 : MCU
316 : SD 카드
317 : 낮은 전압 강화 레귤레이터
318 : 블루투스 모듈
319 : OLED
100: Wearable multichannel photoelectric pulse wave measuring device
110: sensing unit
111: Photodetector
113: LED
120: Noise canceling
130: heart rate measuring unit
311: Multi-channel PPG sensor
312: LED driving circuit
313: Active filter
314, 320: Board-to-board connector
315: MCU
316: SD card
317: Low Voltage Enhanced Regulator
318: Bluetooth module
319: OLED

Claims (11)

웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치에서의 신호에서 잡음을 제거하는 방법에 있어서,
센싱부가 서로 다른 측정 지점(site)에서 측정된 다수 개의 PPG 신호를 동시에 수집하는 단계;
상기 수집된 다수 개의 PPG 신호에 절삭된 특이값 분해(SVD)를 적용하여 잡음을 제거하는 단계; 및
상기 잡음이 제거된 신호에서 심박수(heart rate)를 측정하는 단계;를 포함하는 신호에서 잡음을 제거하는 방법.
A method for removing noise from a signal in a wearable multi-channel photoelectrical pulse wave measuring apparatus,
Simultaneously collecting a plurality of PPG signals measured at different measurement sites by the sensing unit;
Removing noise by applying cut singular value decomposition (SVD) to the collected plurality of PPG signals; And
And measuring a heart rate in the noise canceled signal.
제 1 항에 있어서,
상기 수집된 다수 개의 PPG 신호에 절삭된 특이값 분해(SVD)를 적용하여 잡음을 제거하는 단계는,
상기 수집된 모든 채널 신호를 2차원 행렬로 표현하는 단계;
상기 2차원 행렬을 SVD를 사용하여 분해하는 단계; 및
상기 분해된 행렬을 근사화하여 잡음이 제거된 신호를 추출하는 단계;를 포함하는 신호에서 잡음을 제거하는 방법.
The method according to claim 1,
The step of removing noise by applying cut singular value decomposition (SVD) to the collected plurality of PPG signals includes:
Expressing all the collected channel signals by a two-dimensional matrix;
Decomposing the two-dimensional matrix using SVD; And
And extracting the noise-removed signal by approximating the decomposed matrix to remove noise.
제 2 항에 있어서,
상기 수집된 모든 채널 신호를 2차원 행렬로 표현하는 단계에서는,
상기 수집된 모든 채널 신호는 아래의 수학식 1과 같은 2차원 행렬로 표현되고, 각 행은 각 채널k로부터의 펄스 신호에 해당하는 것을 특징으로 하는 신호에서 잡음을 제거하는 방법.
[수학식 1]
Figure pat00125

여기서, k는 채널수, N은 샘플들의 수임.
3. The method of claim 2,
In the step of representing all the collected channel signals by a two-dimensional matrix,
Wherein all the collected channel signals are represented by a two-dimensional matrix expressed by Equation (1) below, and each row corresponds to a pulse signal from each channel k.
[Equation 1]
Figure pat00125

Where k is the number of channels and N is the number of samples.
제 3 항에 있어서,
상기 2차원 행렬을 SVD를 사용하여 분해하는 단계에서는,
상기 2차원 행렬을 SVD를 사용하여 아래의 수학식 2와 같이 분해하는 것을 특징으로 하는 신호에서 잡음을 제거하는 방법.
[수학식 2]
Figure pat00126

여기서, U와 V는 각각 왼쪽과 오른쪽의 특이 벡터이며, 시그마(
Figure pat00127
Figure pat00128
)는 행렬 P의 특이값임.
The method of claim 3,
In the step of decomposing the two-dimensional matrix using SVD,
Wherein the two-dimensional matrix is decomposed using an SVD according to Equation (2) below.
&Quot; (2) &quot;
Figure pat00126

Where U and V are the left and right singular vectors, respectively, and sigma
Figure pat00127
Figure pat00128
) Is the singular value of the matrix P.
제 4 항에 있어서,
상기 분해된 행렬을 근사화하여 잡음이 제거된 신호를 추출하는 단계에서는,
상기 분해된 행렬을 절삭된 특이값과 벡터로 나타내어 아래의 수학식 3과 같이 근사화하고, 아래의 수학식 4와 같이 표현된 행렬에서 잡음이 제거된 신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 신호에서 잡음을 제거하는 방법.
[수학식 3]
Figure pat00129

여기서,
Figure pat00130
는 특이값,
Figure pat00131
,
Figure pat00132
는 각각 특이값의 좌우 특이 벡터임.
[수학식 4]
Figure pat00133

여기서, k는 채널수, N은 샘플들의 수임.
5. The method of claim 4,
In the step of approximating the decomposed matrix and extracting the noise-free signal,
The decomposed matrix is expressed as a singular value and a vector, and approximated as shown in Equation (3) below, and a noise-removed signal is extracted from a matrix expressed by Equation (4) below. How to remove.
&Quot; (3) &quot;
Figure pat00129

here,
Figure pat00130
Lt; / RTI &gt;
Figure pat00131
,
Figure pat00132
Are specific left and right specific vectors, respectively.
&Quot; (4) &quot;
Figure pat00133

Where k is the number of channels and N is the number of samples.
제 5 항에 있어서,
상기
Figure pat00134
에 대응하는 각각의 행 벡터는 각각의 k 번째 채널에서 잡음이 제거된 신호인 것을 특징으로 하는 신호에서 잡음을 제거하는 방법.
6. The method of claim 5,
remind
Figure pat00134
&Lt; / RTI &gt; wherein each row vector corresponding to the kth channel is a noise canceled signal at each kth channel.
제 1 항에 있어서,
상기 센싱부는,
LED와 광 검출기의 쌍이 동일 측에 배치되는 반사형(reflectance type) PPG 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호에서 잡음을 제거하는 방법.
The method according to claim 1,
The sensing unit includes:
And a reflectance type PPG sensor in which a pair of LEDs and a photodetector are disposed on the same side.
서로 다른 측정 지점(site)에서 측정된 다수 개의 PPG 신호를 동시에 수집하는 센싱부;
상기 수집된 다수 개의 PPG 신호에 절삭된 특이값 분해(SVD)를 적용하여 잡음을 제거하는 잡음 제거부; 및
상기 잡음이 제거된 신호에서 심박수(heart rate)를 측정하는 심박수 측정부;를 포함하는 특이값 분해를 이용한 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치.
A sensing unit for simultaneously collecting a plurality of PPG signals measured at different measurement sites;
A noise eliminator for removing noise by applying cut singular value decomposition (SVD) to the collected plurality of PPG signals; And
And a heart rate measuring unit for measuring heart rate in the noise canceled signal. The wearable multi-channel photoelectrical pulse wave measuring apparatus using singular value decomposition.
제 8 항에 있어서,
상기 센싱부는, LED와 광 검출기의 쌍이 동일 측에 배치되는 반사형(reflectance type) PPG 센서;
상기 LED에 공급되는 전류를 제어하기 위한 금속 산화물 실리콘 전계 효과 트랜지스터 및 디지털-아날로그 변환기를 포함하는 LED 구동 회로;
상기 광 검출기에서 얻은 PPG 신호를 전압 신호로 변환시키는 트랜스 임피던스 증폭기; 및
상기 변환된 전압 신호를 필터링하는 능동 필터;를 포함하고,
상기 필터링된 신호는 마이크로 컨트롤러 유닛에 내장된 아날로그-디지털 컨버터에 의해 디지털 데이터로 변환되는 특이값 분해를 이용한 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치.
9. The method of claim 8,
The sensing unit may include a reflectance type PPG sensor in which pairs of LEDs and photodetectors are disposed on the same side;
An LED drive circuit including a metal oxide silicon field effect transistor and a digital-to-analog converter for controlling a current supplied to the LED;
A transimpedance amplifier for converting the PPG signal obtained from the photodetector into a voltage signal; And
And an active filter for filtering the converted voltage signal,
Wherein the filtered signal is converted into digital data by an analog-to-digital converter built in a microcontroller unit.
제 9 항에 있어서,
상기 센싱부는 2개 층의 양면 인쇄 회로 기판(PCB)으로 구비되고,
하부층(bottom layer)은 상부면(the top face)에 아날로그 회로를 포함하고, 하부면(the bottom face)에 감지 소자를 포함하며,
상부층(top layer)은 상부면(the top face)에 사용자 상호 작용 구성요소를 포함하고, 하부면(the bottom face)에 디지털 신호 처리 신호 구성 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 특이값 분해를 이용한 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치.
10. The method of claim 9,
The sensing unit is provided as a two-sided printed circuit board (PCB)
The bottom layer includes analog circuitry on the top face and includes a sensing element on the bottom face,
Characterized in that the top layer comprises a user interaction component on the top face and the digital signal processing signal component is on the bottom face. Multichannel photoelectric pulse wave measuring device.
제 10 항에 있어서,
상기 하부층(bottom layer)에는, 손목에 직접 접촉하여 PPG 신호를 측정하기 위한 광 감지기와 LED의 쌍으로 이루어진 9개의 멀티 채널 PPG 센서가 하부면(the bottom face)에 배치되는 것을 특징으로 하는 특이값 분해를 이용한 웨어러블 멀티 채널 광전용적맥파 측정 장치.

11. The method of claim 10,
In the bottom layer, nine multichannel PPG sensors are arranged on the bottom face, each consisting of a pair of photodetectors and LEDs for measuring the PPG signal in direct contact with the wrist. Wearable multichannel photoelectrical pulse wave measuring device using decomposition.

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