KR20190024286A - 스마트폰을 이용하여 ppg 신호를 얻기 위한 최적의 roi 결정 방법 및 장치 - Google Patents

스마트폰을 이용하여 ppg 신호를 얻기 위한 최적의 roi 결정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법은, 상기 스마트폰의 카메라를 이용하여 피실험자의 손가락 끝의 이미지를 얻는 단계; 상기 이미지에서 녹색 채널을 추출하는 단계; 상기 추출된 녹색 채널에서 PPG 신호를 획득하는 단계; 및 상기 획득된 PPG 신호를 이용하여 피실험자의 심장 박동을 추정하는 단계;를 포함한다.

Description

스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법 및 장치{OPTIMAL ROI DETERMINATION METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING PPG SIGNAL USING SMARTPHONE}
본 발명은 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스마트폰을 이용해 PPG 신호를 얻음에 있어서, 보다 효율적으로 PPG 신호를 얻기 위해 최적화된 관심 영역(ROI)을 결정하는 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법 및 장치에 관한 것이다.
광전용적맥파(Photoplethysmography : 이하 PPG) 측정기는 심장 리듬을 모니터링하는 편리한 방법이다. 대안적으로, 심전도(ElectroCardioGram : ECG)를 사용하여 심장 상태를 획득하기도 하지만, 광전용적맥파(PhotoPlethysmoGraphy : 이하 PPG) 측정기는 일상적인 심장 리듬을 모니터하는데 사용되며, 심장 박동의 정확성이나 세부 사항을 요구하지 않기 때문에 심전도보다 쉽게 이용된다.
일반적으로, PPG 측정기에 사용되는 PPG 신호는 특수 장치를 사용하여 얻어질 수 있지만, 스마트폰을 사용하여 얻을 수도 있다. 즉, PPG 신호는 섬광(flashlight)과 광검출기(photodetector)를 사용하여 얻을 수 있다. 섬광이 피부를 조명할 때, 빛의 일부는 조직과 혈액으로 흡수되고, 일부는 반사되거나 투과되는데, 이는 광검출기로 감지할 수 있다. 동맥혈 산소 포화(arterial oxygen saturation) 수준에 따라 흡수된 빛의 양이 변경되는데, 이러한 변화를 감지함으로써 심장 박동을 예측할 수 있다. 한편, 섬광(flashlight)과 포토다이오드(photodiode)를 사용하는 대신, 발광 다이오드(light-emitting diode : LED)와 스마트폰의 카메라를 사용하여 PPG 신호를 얻을 수 있다. 이때, LED는 섬광으로 사용되며, 카메라는 포토 다이오드로 사용된다. 따라서, 스마트폰을 가진 사람들은 언제 어디서나 심장 리듬을 모니터링할 수 있다.
그러나, 일반적으로 스마트폰은 통신 수단으로 제공되는 것이며, 상술한 바와 같은 용도로 사용되지 않기 때문에 PPG 신호를 효율적으로 얻으려면 최적화가 필요하다. 최적 관심 영역(optimal region of interest : ROI)을 결정하는 것은, PPG 신호를 효율적으로 얻기 위한 최적화 방법 중 하나이다. 따라서, 스마트폰을 사용하여 PPG 신호를 효율적으로 얻기 위한 최적화된 관심 영역(ROI)을 결정하기 위한 연구가 필요한 실정이다.
또한, 스마트폰으로 PPG 신호를 얻기 위해서는 섬광과 카메라 렌즈 사이의 간격, 스마트폰을 들고 있는 동안의 운동 인공물(motion artifacts), 제한된 프레임 속도 및 이미지의 과도한 해상도 등을 고려하여야 하기 때문에 특수 장치를 사용하는 것보다 계산상 복잡하다.
(비특허문헌 1) W. Lin, D. Wu, C. Li, H. Zhang, and Y.-T. Zhang, “Comparison of Heart Rate Variability from PPG with That from ECG,” in The International Conference on Health Informatics, Springer, Cham, 2014, pp. 213-215.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 스마트폰을 이용해 PPG 신호를 얻는 경우, 보다 효율적인 PPG 신호를 얻기 위해 최적화된 관심 영역(ROI)를 결정하는 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
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.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법은, 상기 스마트폰의 카메라를 이용하여 피실험자의 손가락 끝의 이미지를 얻는 단계; 상기 이미지에서 녹색 채널을 추출하는 단계; 상기 추출된 녹색 채널에서 PPG 신호를 획득하는 단계; 및 상기 획득된 PPG 신호를 이용하여 피실험자의 심장 박동을 추정하는 단계;를 포함한다.
상기 피실험자의 손가락 끝의 이미지를 얻는 단계에서는, 미디어레코드 클래스(MediaRecorder class)를 사용하여 피실험자의 손가락 끝을 일정시간 녹화하여 촬영함으로써 이미지를 얻는 것을 특징으로 한다.
상기 추출된 녹색 채널에서 PPG 신호를 획득하는 단계는, 녹화된 손가락 끝을 포함하는 영상을 매트랩을 사용해 분석하고 녹색 채널을 추출하여 PPG 신호를 획득하되, 녹색 채널의 강도를 계산할 수 없어 이미지의 PPG 신호를 나타낼 수 없는 경우, 이미지를 분할하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 추출된 녹색 채널에서 PPG 신호를 획득하는 단계는, 잡음에 강한 PPG 신호를 획득하기 위해 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하는 단계;를 포함한다.
상기 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하는 단계는, 상위 영역과 크기와 종횡비가 일치하도록 하위 영역을 일정 개수로 나누는 단계; 상기 하위 영역으로부터 얻은 PPG 신호는 아래의 수학식을 통해 계산하는 단계; 및 상기 계산된 PPG 신호에서 가장 강한 PPG 신호가 있는 부분 영역을 선택함으로써, 상기 관심 영역(ROI)의 크기를 재귀적으로 줄여 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하는 단계;를 포함한다.
[수학식]
Figure pat00001
여기서, i는 신호가 측정되는 사이클, Peaki는 Valleyi는 각각 신호에서 감지된 최고점 및 최저점.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치는, 스마트폰의 카메라를 이용하여 피실험자의 손가락 끝의 이미지를 얻는 이미지 획득부; 상기 이미지에서 녹색 채널을 추출하는 추출부; 상기 추출된 녹색 채널에서 PPG 신호를 획득하는 PPG 신호 획득부; 및 상기 획득된 PPG 신호를 이용하여 피실험자의 심장 박동을 추정하는 심장 박동 추정부;를 포함한다.
상기 이미지 획득부는, 미디어레코드 클래스(MediaRecorder class)를 사용하여 피실험자의 손가락 끝을 일정시간 녹화하여 촬영함으로써 이미지를 얻는 것을 특징으로 한다.
상기 PPG 신호 획득부는, 녹화된 손가락 끝을 포함하는 영상을 매트랩을 사용해 분석하고 녹색 채널을 추출하여 PPG 신호를 획득하되, 녹색 채널의 강도를 계산할 수 없어 이미지의 PPG 신호를 나타낼 수 없는 경우, 이미지를 분할하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 PPG 신호 획득부는, 잡음에 강한 PPG 신호를 획득하기 위해 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하는 ROI 결정부를 포함한다.
상기 ROI 결정부는, 상위 영역과 크기와 종횡비가 일치하도록 하위 영역을 일정 개수로 나누고, 상기 하위 영역으로부터 얻은 PPG 신호는 아래의 수학식을 통해 계산하며, 상기 계산된 PPG 신호에서 가장 강한 PPG 신호가 있는 부분 영역을 선택함으로써, 상기 관심 영역(ROI)의 크기를 재귀적으로 줄여 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하는 것을 특징으로 한다.
[수학식]
Figure pat00002
여기서, i는 신호가 측정되는 사이클, Peaki는 Valleyi는 각각 신호에서 감지된 최고점 및 최저점.
본 발명의 일 측면에 따르면, PPG 신호를 추출하는데 사용되는 이미지의 크기를 줄여서 계산을 수행하는 장치의 부하가 감소되는 효과가 있다.
또한, 잡음이 많은 영역을 제거하여 더 강력하고 견고한 PPG 신호를 얻을 수 있다.
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.
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 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치의 개략적인 기능 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하기 위한 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적의 ROI를 결정하기 위한 방법에서의 결과 신호를 도시한 도면,
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하기 위한 방법을 수행함에 따른 결과를 설명하기 위한 도면이다.
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.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치의 개략적인 기능 블록도이다.
본 실시예를 설명함에 있어서, PPG 신호를 추출하는데, 섬광(flashlight)과 포토다이오드(photodiode)를 사용하는 대신, 발광 다이오드(light-emitting diode : LED)와 스마트폰의 카메라를 사용한다. LED는 섬광으로 사용되며, 카메라는 포토 다이오드로 사용된다. 따라서, 스마트폰을 가진 사람들은 언제 어디서나 심장 리듬을 모니터링할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는, 이미지 획득부(110), 추출부(120), PPG 신호 획득부(130) 및 심장 박동 추정부(140)를 포함한다.
이미지 획득부(110)는 스마트폰의 카메라를 이용하여 피실험자의 손가락 끝의 이미지를 얻는다. 이때, 이미지 획득부(110)는 카메라 렌즈에 놓여진 손가락 끝의 이미지를 얻는다. 구체적으로, 이미지 획득부(110)가 손가락 끝의 이미지를 얻는 과정은 다음과 같다. 빛이 피실험자의 손가락 끝에 투사된다. 빛은 혈관의 동맥 산소 포화도에 따라 흡수되며, 이는 환자의 심장 박동에 의해 변경된다. 피실험자의 동맥 산소 포화도를 나타내는 이미지가 촬영됨에 따라, 이미지 획득부(110)는 피실험자의 손가락 끝의 이미지를 얻는다.
이미지 획득부(110)는, 미디어레코드 클래스(MediaRecorder class)를 사용하여 피실험자의 손가락 끝을 일정시간 녹화하여 촬영함으로써 이미지를 얻는다.
추출부(120)는 이미지 획득부(110)를 통해 얻은 이미지에서 녹색 채널을 추출한다. 흡수된 빛의 변화가 녹색 채널에서 더 크기 때문에 이미지의 녹색 채널이 추출된다.
PPG 신호 획득부(130)는 추출부(120)를 통해 추출된 녹색 채널에서 PPG 신호를 획득한다. 이때, 녹색 채널의 강도(intensity)는 이미지의 PPG 신호를 나타낼 수 있다. 한편, 기록된 이미지의 크기가 너무 커서 강도를 계산할 수 없으면, 이미지가 분할되고 대신 하위 이미지가 사용된다. 섬광(flashlight)에 근접한 영역은 이 영역에서 얻은 PPG 신호의 강도가 강하기 때문에 선호된다. 운동 인공물(motion artifacts) 또는 호흡과 같은 노이즈를 피하기 위해 다양한 필터가 PPG 신호의 획득에 적용된다. 저역, 고역 및 대역 통과 필터(Low-pass, high-pass, and band-pass filters)는 널리 사용되는 활성화 필터이다. PPG 신호 획득부(130)는 상술한 필터 중 어느 하나를 사용할 수 있지만, 본 실시예에서는 대역 통과 필터를 사용한다. 심장 박동의 주파수 대역이 0.5~4.0Hz 범위에 있기 때문에, 다른 주파수 범위를 제거하면 PPG 신호의 잡음을 줄일 수 있다.
PPG 신호 획득부(130)는, 녹화된 손가락 끝을 포함하는 영상을 매트랩(MATLAB)을 사용해 분석하고 녹색 채널을 추출하여 PPG 신호를 획득한다.
한편, PPG 신호 획득부(130)는, 잡음에 강한 PPG 신호를 획득하기 위해 최적의 관심 영역(이하 ROI)을 결정하는 ROI 결정부(131)를 포함할 수 있다.
ROI 결정부(131)는, 상위 영역과 크기와 종횡비(aspect ratio)가 일치하도록 하위 영역을 일정 개수로 나누고, 상기 하위 영역으로부터 얻은 PPG 신호는 아래의 수학식1을 통해 계산하며, 상기 계산된 PPG 신호에서 가장 강한 PPG 신호가 있는 부분 영역을 선택함으로써, 상기 관심 영역(ROI)의 크기를 재귀적으로 줄여 최적의 관심 영역(ROI)을 결정할 수 있다.
Figure pat00003
여기서, i는 신호가 측정되는 사이클, Peaki는 Valleyi는 각각 신호에서 감지된 최고점 및 최저점이다.
심장 박동 추정부(140)는 PPG 신호 획득부(130)를 통해 획득된 PPG 신호를 이용하여 피실험자의 심장 박동을 추정한다. 심장 박동 추정부(140)는 PPG 신호 획득부(130)를 통해 획득된 PPG 신호로부터 피크(peak)를 검출할 수 있으며, PPG 신호의 피크수는 주어진 시간 간격 동안 심박동(heart beats)의 수로 간주되므로, 피실험자의 심장 박동을 추정할 수 있다.
한편, 본 실시예를 설명함에 있어서 상술한 구성요소들은 개별적으로 동작하는 것으로 설명하지만 이에 한하지 않으며, 제어부(미도시)의 제어에 의해 유기적으로 동작될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는 별도의 장치로 구성될 수도 있지만, 스마트폰의 내부에 프로그램 형태(애플리케이션)로 구성되어 포함될 수도 있다.
이하, 도 2 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)에서의 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 먼저, PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는, 스마트폰의 카메라를 이용하여 피실험자의 손가락 끝의 이미지를 얻는다(S210). 피실험자는 스마트폰의 카메라 렌즈에 가운데 손가락 끝을 놓는다. 빛이 피사체의 손라락 끝에 투사된다. 빛은 혈관의 동맥 산소 포화도에 따라 흡수되며, 산호 포화도는 환자의 심장 박동에 의해 변경된다. 피실험자의 동맥 산소 포화도를 나타내는 이미지가 촬영된다. 보다 자세하게, PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는, 피실험자의 손가락 끝 부분에 대한 영상(비디오)를 녹화한다. 이때, 스마트폰은 안드로이드 스마트폰일 수 있다. 스마트폰을 이용하여 피실험자의 손가락 끝 부분에 대한 영상(비디오)를 녹화하는 것은, 아래와 같은 두 가지 방법 중 어느 하나를 사용하여 수행할 수 있다. 먼저, 첫번째 방법은 미디어레코드 클래스(MediaRecorder class)를 사용하는 것이다. 캠코더프로파일 클래스(CamcorderProfile class)의 QUALITY_HIGH_SPEED_LOW 속성을 사용하면, 초당 100프레임(100 fps) 이상의 비디오를 녹화할 수 있지만, 획득된 영상(비디오)을 이 속도로 실시간으로 분석할 수 없기 때문에 시간 지연이 발생할 수 있다. 나머지 다른 방법은, 카메라 클래스(camera class)의 프리뷰(Preview) 메서드를 사용하는 것이다. 이 방법을 사용하면 초당 30프레임(30 fps) 이상의 비디오를 얻는 것은 거의 불가능하지만, 실시간으로 이미지를 분석할 수 있다. 본 발명에서는 미디어레코드 클래스(MediaRecorder class)를 사용하여 피실험자의 손가락 끝의 영상을 녹화했다. 이때, 상기 영상은 14초 동안 녹화했다.
다음으로, PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는, 상기 얻어진 이미지에서 녹색 채널을 추출하고, 상기 추출된 녹색 채널에서 PPG 신호를 획득한다(S220, S230). 다시 말해, PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는, 녹화된 영상(비디오)를 매트랩(MATLAB)을 사용하여 분석하고 녹색 채널을 추출하여 PPG 신호를 얻을 수 있다. 이때, 흡수된 빛의 변화가 녹색 채널에서 더 크기 때문에 이미지의 녹색 채널이 추출된다. 녹색 채널의 강도(intensity)는 이미지의 PPG 신호를 나타낸다. 기록된 이미지의 크기가 너무 커서 강도를 계산할 수 없으면, 이미지가 분할되고 대신 하위 이미지가 사용된다. 섬광(flashlight)에 근접한 영역은 이 영역에서 얻은 PPG 신호의 강도가 강하기 때문에 선호된다. 운동 인공물(motion artifacts) 또는 호흡과 같은 노이즈를 피하기 위해 다양한 필터가 PPG 신호의 획득에 적용된다. 저역, 고역 및 대역 통과 필터(Low-pass, high-pass, and band-pass filters)는 널리 사용되는 활성화 필터이다. 이때, 본 실시예에 따른 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는, 대역 통과 필터(범위 : 0.5 내지 4.0Hz)를 사용하였다. 심장 박동의 주파수 대역이 0.5~4.0Hz 범위에 있기 때문에, 다른 주파수 범위를 제거하면 PPG 신호의 잡음을 줄일 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는, 계산 부하를 줄이고 더 신뢰할 수 있는 PPG 신호를 얻는 것을 목적으로 하기 때문에 최적화된 관심 영역(ROI)를 결정하여 사용한다. 이때, PPG 신호의 신뢰도는 신호의 강도로 정의될 수 있다. 계산량을 줄이기 위해 ROI의 크기를 최소화해야 한다. 하지만, 가장 작은 ROI는 최적의 ROI를 의미하지 않는다. PPG 신호 획득에 있어서 운동 인공물(motion artifacts)에 따라 가장 강한 신호가 얻어지는 위치가 변경되므로, PPG 신호가 잡음에 강건(robust)하기 위해서는 ROI가 잡음에 영향을 받지 않을만큼 충분히 커야한다. 이에 따라, 최적화된 ROI를 결정하기 위해 ROI의 크기를 재귀적으로 줄여야 한다. ROI의 크기를 재귀적으로 줄여 최적화된 ROI를 결정하기 위한 방법은 도 3을 통해 후술하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하기 위한 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 먼저, PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는, 추출된 녹색 채널에서 전체 영역을 4개의 하위 영역으로 나눈다(S310). 각 하위 영역의 크기와 하위 영역의 종횡비(aspect ratio)는 상위 영역과 일치한다.
다음으로, PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는, 각 하위 영역으로부터 얻은 PPG 신호의 강도를 상술한 수학식 1을 통해 계산한다(S320).
ROI를 사용하는 목적은, 계산 부하를 줄이고 더 신뢰할 수 있는 PPG 신호를 얻는 것이다. PPG 신호의 신뢰도는 신호의 강도로 정의될 수 있다.
이후, PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는, 가장 강한 PPG 신호가 있는 부분 영역을 선택한다(S330).
한편, PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는, 영역 크기와 최소 계산 부하에 기초하여 상기 선택된 영역이 최적인지 여부를 결정할 수 있다(S340). 이때, 선택된 영역이 임의로 설정된 최적 기준(임계값)을 충족하면, 최적 ROI로 선택되고 재귀는 종료된다. 하지만, 선택된 영역이 기준을 충족시키지 못하면 재귀는 최적의 ROI가 선택될 때까지 계속된다. 한편, 상기 S310 내지 S330 단계의 결과 신호는 도 4에 도시된 바와 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적의 ROI를 결정하기 위한 방법에서의 결과 신호를 도시한 도면이다.
본 실시예에 따른 최적의 ROI를 결정하기 위한 방법을 수행하기 위해, 스마트폰을 이용하여 피실험자의 손가락 끝 영상(비디오)를 녹화하였다. 녹화된 영상(비디오)는 디스크톱 컴퓨터로 전송되어 분석되었다. 영상(비디오)에서 녹색 채널이 추출되었다. 영상(비디오)이 YUV 색상 공간에 기록되었으므로 영상(비디오)이 YUV에서 RGB 색상 공간으로 변화되었다. 도 4의 (a)는 녹색 채널에서 추출된 값의 변화를 보여준다. 노이즈를 제거하기 위해 밴드 패스 필터가 사용되었다. 도 4의 (b)는 밴드 패스 필터를 적용한 결과이다. 신호에서 감지된 최고점(peak)과 최저점(valley)은 시간 간격 내에서 심박동(heart beats) 수에 해당한다. 도 4의 (c)는 검출된 최고점 및 최저점을 도시한다.
마지막으로, PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는, 상기 획득된 PPG 신호를 이용하여 피실험자의 심장 박동을 추정한다(S240). PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치(100)는, 획득된 PPG 신호로부터 피크(peak)를 검출할 수 있으며, PPG 신호의 피크수는 주어진 시간 간격 동안 심박동(heart beats)의 수로 간주되므로, 피실험자의 심장 박동을 추정할 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 10을 참조하여, 본 실시예에 따른 최적의 관심 영역(ROI)를 결정하기 위한 방법을 수행함에 따른 결과를 설명하기로 한다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하기 위한 방법을 수행함에 따른 결과를 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예를 설명함에 있어서, 피실험자의 손가락 끝 영상(비디오)을 녹화하는데 LG g3의 안드로이드 스마트폰을 사용하였다. 영상(비디오)은 1280x720 해상도로 120fps(초당 120 프레임)로 녹화하였다.
첫번째 사이클에서, 하위 영역의 크기는 640x360이었다. 선택된 영역의 분포도는 도 5에 도시된 바와 같다. 선택된 영역의 98퍼센트가 오른쪽 상단과 오른쪽 하단에 있었다. 스마트폰의 오른쪽에 섬광(flashlight)이 있기 때문에 섬광에 가까운 영역에서 더 강한 PPG 신호를 얻을 수 있었다. 스마트폰의 섬광은 두 개의 LED로 구성되어 있다. 오른쪽 상단은 오른쪽 하단보다 더 강한 PPG 신호를 보였다. 두번째 사이클에서, 하위영역의 크기는 320x180이었다. 오른쪽 상단은 가장 강력한 PPG 신호가 얻어지는 가장 일반적인 영역이었다. 그러나 19퍼센트의 확률로 ROI는 왼쪽 상단에 속한다. 따라서, 세번째 사이클에서는 오른쪽 상단과 왼쪽 상단이 나위어져 있다. 분할된 영역에서 ROI를 가질 확률은 10퍼센트 미만이다. 두번째 사이클의 오른쪽 상단 영역에는 ROI를 포함할 확률이 69퍼센트이다. 세번째 사이클에서 이 영역은 네 개의 하위 영역으로 나뉘어져 있다. 왼쪽 상단 영역은 15퍼센트의 기회를, 오른쪽 상단 영역은 30퍼센트의 기회를, 오른쪽 하단 영역은 ROI를 포함할 확률이 19퍼센트로 나타난다. ROI를 포함할 기회(chance)가 10퍼센트 이상인 영역은 나뉘어져 있다.
도 6을 참조하면, 다른 영역 크기로 심장 박동(heart rhythm)을 추정하는데 필요한 시간을 알 수 있다. 사이클이 증가함에 따라 영역의 크기가 감소된다. 제 1 사이클 내지 제 6 사이클에서의 영역의 크기는 각각 640X360, 320X180, 160X90, 80X45, 40X23 및 20X12이다(도 5 참조). 도 6에 도시된 바와 같이, 영역의 크기가 40X23보다 작으면, 영역 크기를 감소시키는 이점이 사라진다. 심장 박동을 추정하는 과정에서 ROI 크기에 영향을 받는 계산 부하(computing load)는 두번째 및 세번째 단계로 제한된다. 따라서, ROI 크기를 920 픽셀 미만으로 줄이는 것은 의미가 없다. 크기가 80X45인 영역과 크기가 40X23인 영역의 계산 시간의 차이는 0.17초이다. 따라서, 크기가 40X90이고 확률이 13퍼센트인 결합 영역에서 가장 강한 PPG 신호를 생성하려면 0.06초가 필요하다. 소비된 시간은 기계의 계산 능력에 달려있다. 0.06초의 계산은 펜티엄 G4400 프로세서가 있는 데스크탑에서 수행되었다. 요구되는 계산 시간은 기계에 따라 다르므로 최적의 결과를 위해 시간과 크기 사이의 적절한 균형을 결정하는 것은 어렵다. 그러나, ROI 크기를 추가로 줄여도 계산 부하는 줄어들지 않는 한계점이 있다. 본 실시예에서, ROI 크기의 임계값은 40X23이었다. 중요한 요소는 종횡비(aspect ratio)가 아니라 ROI의 픽셀수이다. 그러나, 다른 ROI 형태의 픽셀을 추출하는 복잡성을 고려할 때, 사각형 모양을 사용하면 원, 타원형 또는 삼각형 모양보다 계산이 덜 필요하다.
도 7은 강도 증가의 추세를 보여준다. PPG 신호의 강도는 ROI를 결정할 때 중요한 고려사항이다. ROI 크기에 따라 PPG 신호의 강도가 증가한다. 모든 재귀(recursion)에서 가장 강한 PPG 신호가 있는 영역이 선택되기 강도의 증가가 예상된다. 그러나, 신호 강도 증가율은 ROI의 크기에 따라 다르다. 영역의 크기가 640X360에서 320X180으로 변경되는 두번째 사이클에서는 강도가 평균 14퍼센트 증가했다. 320X180과 160X90 사이의 강도는 평균 8퍼센트 증가했다. ROI의 크기가 20X12인 여섯번째 사이클까지 신호 강도 증가율은 평균 8퍼센트였다. 일곱번째 사이클의 경우 신호 강도 증가율(the rate of signal strength increment)은 15퍼센트였지만, 일곱번째 사이클의 영역의 크기는 10X6으로 소음에 견디기에는 너무 작다.
도 8은 제7 사이클 이후의 영역 분포를 나타낸다. 가장 강한 PPG 신호가 얻어진 영역이 널리 퍼져 있다. 따라서, 운동 인공물(motion artifacts)과 같은 노이즈가 발생하는 영역에서는 ROI가 쉽게 변경된다. 따라서, ROI 선택 프로세스의 재귀는 6회를 초과하지 않는 것이 좋다. 이를 통해 볼 때, ROI는 운동 인공물(motion artifacts)과 같은 노이즈의 영향을 쉽게 받는다는 것을 알 수 있다.
1280 × 720, 1920 × 1080 및 3840 × 2160의 해상도로 얻은 데이터 세트에서도 동일한 결과가 얻어졌다. 각 해상도에서 동영상의 프레임 속도는 최대 해상도 30fps가 가장 높은 프레임 속도였으므로 30fps로 설정되었다. 도 9는 각 해상도에 필요한 시간을 보여준다. 도 6의 결과와 비교할 때 프레임 속도가 120fps에서 30fps로 줄어들어 1280X720 해상도의 경우 25퍼센트의 시간이 소모되었다.
도 10은 각 해상도에 대한 신호 강도 증가율을 보여준다. 도 7의 데이터와 비교할 때, 4번째 사이클은 리바운드 패턴을 보여준다. 따라서, 5회의 재귀가 권장된다. 5회 재귀 후 얻은 영역은 원래 이미지의 0.1퍼센트를 차지하며, 스마트폰의 섬광(flashlight) 근처에 위치한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, PPG 신호가 가장 강한 최적의 관심 영역(ROI)을 재귀적으로 분할하여 선택함으로써, PPG 신호를 추출하는데 사용되는 이미지의 크기를 줄여서 계산을 수행하는 장치의 부하가 감소되는 효과가 있다. 또한, 잡음이 많은 영역을 제거하여 더 강력하고 견고한 PPG 신호를 얻을 수 있다.
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.
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.
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.
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.
100 : 최적의 ROI 결정 장치
110 : 이미지 획득부
120 : 추출부
130 : PPG 신호 획득부
131 : ROI 결정부
140 : 심장 박동 추정부

Claims (10)

  1. 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법에 있어서,
    상기 스마트폰의 카메라를 이용하여 피실험자의 손가락 끝의 이미지를 얻는 단계;
    상기 이미지에서 녹색 채널을 추출하는 단계;
    상기 추출된 녹색 채널에서 PPG 신호를 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 PPG 신호를 이용하여 피실험자의 심장 박동을 추정하는 단계;를 포함하는 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피실험자의 손가락 끝의 이미지를 얻는 단계에서는,
    미디어레코드 클래스(MediaRecorder class)를 사용하여 피실험자의 손가락 끝을 일정시간 녹화하여 촬영함으로써 이미지를 얻는 것을 특징으로 하는 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 추출된 녹색 채널에서 PPG 신호를 획득하는 단계는,
    녹화된 손가락 끝을 포함하는 영상을 매트랩을 사용해 분석하고 녹색 채널을 추출하여 PPG 신호를 획득하되, 녹색 채널의 강도를 계산할 수 없어 이미지의 PPG 신호를 나타낼 수 없는 경우, 이미지를 분할하여 사용하는 것을 특징으로 하는 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출된 녹색 채널에서 PPG 신호를 획득하는 단계는,
    잡음에 강한 PPG 신호를 획득하기 위해 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하는 단계;를 포함하는 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하는 단계는,
    상위 영역과 크기와 종횡비가 일치하도록 하위 영역을 일정 개수로 나누는 단계;
    상기 하위 영역으로부터 얻은 PPG 신호는 아래의 수학식을 통해 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 PPG 신호에서 가장 강한 PPG 신호가 있는 부분 영역을 선택함으로써, 상기 관심 영역(ROI)의 크기를 재귀적으로 줄여 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하는 단계;를 포함하는 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 방법.
    [수학식]
    Figure pat00004

    여기서, i는 신호가 측정되는 사이클, Peaki는 Valleyi는 각각 신호에서 감지된 최고점 및 최저점.
  6. 스마트폰의 카메라를 이용하여 피실험자의 손가락 끝의 이미지를 얻는 이미지 획득부;
    상기 이미지에서 녹색 채널을 추출하는 추출부;
    상기 추출된 녹색 채널에서 PPG 신호를 획득하는 PPG 신호 획득부; 및
    상기 획득된 PPG 신호를 이용하여 피실험자의 심장 박동을 추정하는 심장 박동 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 이미지 획득부는,
    미디어레코드 클래스(MediaRecorder class)를 사용하여 피실험자의 손가락 끝을 일정시간 녹화하여 촬영함으로써 이미지를 얻는 것을 특징으로 하는 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 PPG 신호 획득부는,
    녹화된 손가락 끝을 포함하는 영상을 매트랩을 사용해 분석하고 녹색 채널을 추출하여 PPG 신호를 획득하되, 녹색 채널의 강도를 계산할 수 없어 이미지의 PPG 신호를 나타낼 수 없는 경우, 이미지를 분할하여 사용하는 것을 특징으로 하는 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 PPG 신호 획득부는,
    잡음에 강한 PPG 신호를 획득하기 위해 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하는 ROI 결정부를 포함하는 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 ROI 결정부는,
    상위 영역과 크기와 종횡비가 일치하도록 하위 영역을 일정 개수로 나누고, 상기 하위 영역으로부터 얻은 PPG 신호는 아래의 수학식을 통해 계산하며, 상기 계산된 PPG 신호에서 가장 강한 PPG 신호가 있는 부분 영역을 선택함으로써, 상기 관심 영역(ROI)의 크기를 재귀적으로 줄여 최적의 관심 영역(ROI)을 결정하는 것을 특징으로 하는 스마트폰을 이용하여 PPG 신호를 얻기 위한 최적의 ROI 결정 장치.
    [수학식]
    Figure pat00005

    여기서, i는 신호가 측정되는 사이클, Peaki는 Valleyi는 각각 신호에서 감지된 최고점 및 최저점.
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