KR20210037529A - 광용적맥파 신호를 보정하는 방법 및 웨어러블 디바이스 - Google Patents

광용적맥파 신호를 보정하는 방법 및 웨어러블 디바이스 Download PDF

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Abstract

광용적맥파 신호에 포함된 호흡 성분 신호를 이용하여, 광용적맥파 신호를 보정하는 방법 및 웨어러블 디바이스가 개시된다. 개시된 광용적맥파 신호를 보정하는 방법은 광용적맥파 신호에 포함된 호흡 성분 신호의 전압값을, 시간값으로 변환하는 단계; 상기 변환된 호흡 성분 신호에서, 상기 광용적맥파 신호의 피크 발생 지점에 대한 시간값을 검출하는 단계; 및 상기 변환된 호흡 성분 신호에서 검출된 시간값을 이용하여, 상기 광용적맥파 신호의 피크 발생 시간값을 보정하는 단계를 포함한다.

Description

광용적맥파 신호를 보정하는 방법 및 웨어러블 디바이스{PhotoPlethysmoGraphy Signal Calibration Method and Wearable Device}
본 발명은 광용적맥파 신호를 보정하는 방법 및 웨어러블 디바이스에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광용적맥파 신호에 포함된 호흡 성분 신호를 이용하여, 광용적맥파 신호를 보정하는 방법 및 웨어러블 디바이스에 관한 것이다.
최근 다양한 형태의 웨어러블 디바이스가 출시되고 있으며, 웨어러블 디바이스는 일반적으로 광용적맥파(photoplethysmography, PPG) 신호와 같은, 사용자의 생체 신호를 측정하는 기능을 탑재하고 있다. 광용적맥파 신호를 통해, 사용자의 심박수(Heart Rate)나, 심박 변이도(Heart Rate Variability), 혈압 등이 추정될 수 있다.
그런데 광용적맥파는 사용자의 호흡에 의한 영향을 받기 때문에, 광용적맥파에는 사용자의 호흡 성분이 포함되며, 이러한 호흡 성분은 심박수나 심박 변이도, 혈압 추정 과정에서 오차로 작용한다.
따라서 광용적맥파 신호로부터 심박수와 같은 생체 정보를 정확하게 추정하기 위해서는 사용자의 호흡 성분을 이용하여, 광용적맥파 신호를 보정하는 과정이 필요하다.
관련 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-1019764호, 제10-2025571호가 있다.
본 발명은 단일의 광용적맥파 신호만으로 정확하게 심박을 측정할 수 있도록, 호흡 성분을 이용하여 광용적맥파 신호를 보정하는 방법 및 웨어러블 디바이스를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광용적맥파 신호에 포함된 호흡 성분 신호의 전압값을, 시간값으로 변환하는 단계; 상기 변환된 호흡 성분 신호에서, 상기 광용적맥파 신호의 피크 발생 지점에 대한 시간값을 검출하는 단계; 및 상기 리스케일된 호흡 성분 신호에서 검출된 시간값을 이용하여, 상기 광용적맥파 신호의 피크 발생 시간값을 보정하는 단계를 포함하는 광용적맥파 신호를 보정하는 방법이 제공된다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 사용자의 광용적맥파 신호를 검출하는 PPG 센서; 상기 광용적 맥파에 포함된 호흡 성분 신호의 전압값을, 시간값으로 변환하는 데이터 변환부; 상기 변환된 호흡 성분 신호에서, 상기 광용적맥파 신호의 피크 발생 지점에 대한 시간값을 검출하는 시간값 검출부; 및 상기 리스케일된 호흡 성분 신호에서 검출된 시간값을 이용하여, 상기 광용적맥파 신호의 피크 발생 시간값을 보정하는 데이터 보정부를 포함하는 웨어러블 디바이스가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 호흡에 의해 변동된 광용적맥파 신호를 보정할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 추가적인 생체 신호없이 광용적맥파 신호만을 이용하여, 복잡한 연산없이 정확한 생체 정보를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광용적맥파 신호를 보정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 광용적맥파 신호를 나타내는 도면이다.
도 3은 광용적맥파 신호에서 추출된 호흡 성분 신호의 전압값이 시간값으로 변환된 신호를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 디바이스를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
전술된 바와 같이, 광용적맥파 신호에는 호흡 성분이 포함되며, 이러한 호흡 성분에 의해 광용적맥파 신호에 포함된 심박 성분과 같은 생체 정보가 영향을 받는다. 심박은, 심장의 주기적인 수축 및 이완을 나타내는데, 호흡 성분에 의해, 광용적맥파 신호에서 심박 성분에 대응되는 심장의 수축 시점 및 이완 시점이 빨라지거나 느려지게 된다. 따라서, 호흡 성분에 의해 변동되는 광용적맥파 신호를 보정하지 않는 이상, 광용적맥파 신호로부터 정확한 생체 정보를 추출하기는 어렵다.
이에 본 발명은, 광용적맥파 신호에 포함된 호흡 성분 신호를 이용하여, 광용적맥파 신호를 보정하는 방법 및 웨어러블 디바이스를 제안한다.
특히 본 발명의 일실시예는, 광용적맥파 신호에 포함된 호흡 성분이, 맥파가 심장에서부터 광용적맥파의 측정 지점인 말초까지 전달되는데 걸리는 시간인 PAT(Pulse Arrival Time)에 영향을 받으며, 광용적맥파 신호와 호흡 성분의 주기가 동기화된다는 점을 이용하여, 광용적맥파 신호에서 심장의 수축 시점이나 이완 시점을 보정한다.
본 발명의 일실시예에 따른 광용적맥파 신호 보정 방법은, 프로세서 및 메모리를 포함하는 컴퓨팅 장치에서 수행될 수 있으며, 데스크탑, 노트북, 모바일 단말, 웨어러블 디바이스 등에서 수행될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광용적맥파 신호를 보정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 2는 광용적맥파 신호를 나타내는 도면이다. 그리고 도 3은 광용적맥파 신호에서 추출된 호흡 성분 신호의 전압값이 시간값으로 변환된 신호를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 컴퓨팅 장치는 광용적맥파 신호에 포함된 호흡 성분 신호의 전압값을, 시간값으로 변환(S110)한다. 전술된 바와 같이, 본 발명의 일실시예는 호흡 성분을 이용하여, 광용적맥파 신호에 포함된 심장의 수축 시점이나 이완 시점을 보정하기 때문에, 시간의 보정을 위해 컴퓨팅 장치는 호흡 성분 신호의 전압값을 시간값으로 변환한다.
심장의 수축 시점이나 이완 시점은 도 1과 같이, 광용적맥파 신호에서 피크 형태로 나타난다. 주기적으로 발생하는 최대 피크(210, Systolic Peak)는 심장의 수축 시점에 대응되며, 최소 피크(220, Diastolic Peak) 즉, 펄스 풋(pulse foot)은 심장의 이완 시점에 대응된다. 단계 S110에서 변환된 시간값을 통해, 후술되는 바와 같이, 심장의 수축 시점이나 이완 시점이 보정될 수 있다.
실시예에 따라서, 전압값을 시간값으로 변환하는 다양한 관계식을 통해 호흡 성분 신호의 전압값이 시간값으로 변환될 수 있으며, 본 발명의 일실시예에 따른 컴퓨팅 장치는 일실시예로서 PAT(Pulse Arrival Time)에 따라서, 전압값을 시간값으로 리스케일할 수 있다.
전술된 바와 같이, PAT는, 맥파가 심장에서부터 광용적맥파의 측정 지점인 손목 등의 말초까지 전달되는데 걸리는 시간을 나타내는데, PAT는 호흡에 의해 변동된다. 일반적으로 PAT는 흡기때 감소하고 호기때 증가하는 패턴을 나타내는데, 흡기때에는 폐의 확장으로 흉부가 압박되어 혈압이 상승하고 혈류 속도가 빨라지기 때문이다.
PAT가 증가한다는 것은 맥파가 지연되는 것이며, PAT가 감소한다는 것은 맥파의 속도가 빨라지는 것을 의미하므로, 광용적맥파 신호에 나타나는 심장의 수축 시점이나 이완 시점에, PAT에 따라 변환된 시간값을 반영하면, 호흡 성분에 의해 변동된 심장의 수축 시점이나 이완 시점이 보정될 수 있다.
컴퓨팅 장치는 일실시예로서, 미리 설정된 PAT의 시간 범위 사이에서, 전압값을 리스케일(rescale)하여 시간값을 생성할 수 있다. PAT의 시간 범위는 일실시예로서, -4.8ms에서 4.8ms로 설정될 수 있으며, 보정에 이용되는 광용적맥파 신호가 수집된 대상자의 신체적 특징에 따라서, PAT의 시간 범위는 조절될 수 있다. 일예로서, 대상자의 키가 크다면 맥파가 심장에서 말초까지 도달하는데 소요되는 시간이 증가할 것이므로, PAT의 시간 범위는 증가될 수 있다.
예컨대 호흡 성분 신호의 전압값이, 6mV에서 -6mV 사이의 존재한다면, 호흡 성분 신호의 전압값은 -4.8ms에서 4.8ms 사이의 시간값으로 리스케일되어 매핑될 수 있다. 이 경우, 6mV의 전압값은 4.8ms의 시간값으로 매핑되며, -6mV의 전압값은 -4.8ms의 시간값으로 매핑된다. 그리고 0mV의 전압값은 0ms의 시간값으로 매핑될 수 있다.
단계 S110에서 도 3(a)의 호흡 성분 신호는 도 3(b)와 같이 변환될 수 있다. 도 3에서, x축의 단위 피크는, 광용적맥파 신호의 피크 각각에 대응되며, 광용적맥파 신호의 심장의 이완 시점에 대응되는 피크(220)일 수 있다.
단계 S110 이전의 전처리 과정에서 호흡 신호 성분이 추출될 수 있으며, 일반적으로 호흡 성분의 주파수는 0.2 Hz 내지 0.5Hz이므로, 0.15Hz 에서 2Hz의 주파수 성분을 필터링하는 밴드 패스 필터를 통해, 광용적맥파 신호에서 호흡 성분 신호가 추출될 수 있다.
또한 광용적맥파 신호의 진폭 분석을 통해, 광용적맥파 신호의 피크와 이러한 피크의 발생 시점이 검출될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 컴퓨팅 장치는 단계 S110에서 변환된 호흡 성분 신호에서, 광용적맥파 신호의 피크 발생 지점에 대한 시간값을 검출(S120)한다. 컴퓨팅 장치는 도 3(b)를 이용하여, 광용적맥파 신호의 피크 발생 지점에 대응되는 변환된 호흡 성분 신호의 피크 각각에 대한 시간값을 검출한다.
그리고 컴퓨팅 장치는 단계 S120에서 검출된 시간값을 이용하여, 광용적맥파 신호의 피크 발생 시간값을 보정(S130)한다. 컴퓨팅 장치는 광용적맥파 신호의 피크 발생 시간값에 단계 S120에서 검출된, 즉 리스케일된 호흡 성분 신호에서 검출된 시간값을 더하여, 광용적맥파 신호의 피크 발생 시간값을 보정할 수 있다.
예컨대, 도 2의 두번째 심장 수축 시점 피크(220)에 대응되는 피크 발생 시간값이 1초라고 할 경우, 도 3(b)의 두번째 피크에 대응되는 시간값은 3ms이므로, 피크 발생 시간값 1초는 1.003초로 보정된다.
광용적맥파 신호의 피크 발생 시간값이 모두 보정될 경우, 보정된 펄스 인터벌(pulse interval), 즉 보정된 피크간 시간 간격을 획득할 수 있다. 전술된 실시예에서, 펄스 풋 즉 심장의 이완 시점 사이의 시간 간격이 획득될 수 있으며, 보정된 펄스 인터벌을 통해 정확한 심박이 결정될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따르면, 광용적맥파 신호에서 호흡에 의해 변동된 심박 성분을 보정함으로써, 광용적맥파 신호로부터 정확한 생체 정보를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 추가적인 생체 신호나 생체 정보 측정을 위한 복잡한 연산없이도 보정된 광용적맥파 신호만으로도 생체 정보를 정확하게 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 디바이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 디바이스는 PPG 센서(410), 데이터 변환부(420), 시간값 검출부(430) 및 데이터 보정부(440)를 포함한다.
PPG 센서(410)는 사용자의 손목 등에서 광용적맥파 신호를 검출한다.
데이터 변환부(420)는 광용적 맥파에 포함된 호흡 성분 신호의 전압값을, 시간값으로 변환한다.
시간값 검출부(430)는 데이터 변환부(420)에서 변환된 호흡 성분 신호에서, 광용적맥파 신호의 피크 발생 지점에 대한 시간값을 검출한다.
데이터 보정부(440)는, 시간값 검출부(430)에 의해 변환된 호흡 성분 신호에서 검출된 시간값을 이용하여, 광용적맥파 신호의 피크 발생 시간값을 보정한다.
본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 디바이스는 보정된 광용적맥파 신호를 이용하여, 심박수와 같은 생체 정보를 생성한 후 디스플레이를 이용하여, 사용자에게 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, PPG 센서 이외 별도의 생체 신호 측정 센서를 탑재하지 않고도 보정된 광용적맥파 신호를 이용하여, 정확하게 생체 정보를 측정할 수 있다.
앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 광용적맥파 신호에 포함된 호흡 성분 신호의 전압값을, 시간값으로 변환하는 단계;
    상기 변환된 호흡 성분 신호에서, 상기 광용적맥파 신호의 피크 발생 지점에 대한 시간값을 검출하는 단계; 및
    상기 변환된 호흡 성분 신호에서 검출된 시간값을 이용하여, 상기 광용적맥파 신호의 피크 발생 시간값을 보정하는 단계
    를 포함하는 광용적맥파 신호를 보정하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광용적맥파 신호의 피크는
    상기 광용적맥파 신호의 심장의 이완 시점에 대응되는 피크
    를 포함하는 광용적맥파 신호를 보정하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 호흡 성분 신호의 전압값을 시간값으로 변환하는 단계는
    PAT(Pulse Arrival Time)에 따라서, 상기 전압값을 상기 시간값으로 리스케일하는
    광용적맥파 신호를 보정하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 호흡 성분 신호의 전압값을 시간값으로 변환하는 단계는
    미리 설정된 상기 PAT의 시간 범위 사이에서, 상기 전압값을 리스케일하여 상기 시간값을 생성하는
    광용적맥파 신호를 보정하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 PAT의 시간 범위는
    상기 광용적맥파 신호가 수집된 대상자의 신체적 특징에 따라서 조절되는
    광용적맥파 신호를 보정하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광용적맥파 신호의 피크 발생 시간값을 보정하는 단계는
    상기 피크 발생 시간값에 상기 리스케일된 호흡 성분 신호에서 검출된 시간값을 더하여, 상기 피크 발생 시간값을 보정하는
    광용적맥파 신호를 보정하는 방법.
  7. 사용자의 광용적맥파 신호를 검출하는 PPG 센서;
    상기 광용적 맥파에 포함된 호흡 성분 신호의 전압값을, 시간값으로 변환하는 데이터 변환부;
    상기 변환된 호흡 성분 신호에서, 상기 광용적맥파 신호의 피크 발생 지점에 대한 시간값을 검출하는 시간값 검출부; 및
    상기 변환된 호흡 성분 신호에서 검출된 시간값을 이용하여, 상기 광용적맥파 신호의 피크 발생 시간값을 보정하는 데이터 보정부
    를 포함하는 웨어러블 디바이스.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20100033875A (ko) * 2008-09-22 2010-03-31 (주)대경산업 진동 및 잡음이 포함된 피피지 신호에서 정확한 심박을 측정하기 위한 피피지 기반의 심박 검출 방법
KR20180059911A (ko) * 2015-10-02 2018-06-05 유니베르시타트 폴리테크니카 데 카탈루냐 심장탄도의 기준점 사이에서 계측된 시간 간격으로부터 대동맥 맥파 전달 시간을 추정하기 위한 방법 및 기구

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