KR20230043435A - Method for detecting respiration rate using piezoelectric sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전 센서를 통해 획득된 전기 신호에 기초하여 호흡률을 검출하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for detecting a respiratory rate based on an electrical signal obtained through a piezoelectric sensor.
호흡은 인체의 흉곽을 팽창 또는 수축시키므로 흉곽과 맞닿은 면에는 압력차가 발생하게 되고, 압력차에 기초하여 인체의 호흡률(respiration rate)을 검출할 수 있다. 흉곽의 움직임으로 인한 압력을 검출하기 위해 다양한 압력 센서가 이용되고 있으며, 압력 센서의 출력에 기초하여 인체의 호흡률을 검출하기 위한 다양한 방법이 개발되고 있다.Since breathing expands or contracts the chest of the human body, a pressure difference is generated on a surface in contact with the chest, and a respiration rate of the human body can be detected based on the pressure difference. Various pressure sensors are used to detect pressure due to movement of the chest, and various methods for detecting a respiratory rate of the human body based on outputs of the pressure sensors are being developed.
그러나, 종래에는 호흡률의 정밀 측정을 위해 사용자가 복잡하고 민감한 장비를 착용해야 하는 불편함이 있어 실생활에서 호흡률의 측정이 불가능한 문제가 있다. 또한, 종래 실생활에서 간단하게 호흡률을 측정하기 위해 개발되고 있는 방법들은, 호흡으로 인해 발생하는 미미한 압력 신호에 노이즈가 간섭되는 경우 이를 효과적으로 제거하지 못하여 정밀한 측정이 어려운 문제가 있다.However, in the prior art, there is a problem in that it is impossible to measure the respiratory rate in real life because the user has to wear complicated and sensitive equipment for precise measurement of the respiratory rate. In addition, conventional methods being developed to simply measure the respiratory rate in real life have a problem in that it is difficult to accurately measure the noise when it interferes with the insignificant pressure signal generated due to respiration and cannot effectively remove it.
본 발명은 압전 센서를 통해 취득된 전기 신호를 가공하여 순수한 호흡 성분만을 추출하고 이를 통해 호흡률을 검출하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method of extracting only pure respiratory components by processing an electrical signal acquired through a piezoelectric sensor and detecting a respiratory rate through the same.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects and advantages of the present invention not mentioned above can be understood by the following description and will be more clearly understood by the examples of the present invention. It will also be readily apparent that the objects and advantages of the present invention may be realized by means of the instrumentalities and combinations indicated in the claims.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법은 압전 센서에서 발생한 전기 신호에 대해 필터링 전처리를 수행하는 단계, 전처리된 전기 신호의 표준편차를 이용하여 각성 구간을 결정하는 단계, 상기 각성 구간이 제거된 전기 신호에 대하여 필터링 후처리를 수행하는 단계 및 후처리된 전기 신호에 푸리에 변환(Fourier transform)을 적용하여 호흡률을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method for detecting a respiratory rate using a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention includes performing preprocessing of filtering on an electrical signal generated by the piezoelectric sensor, and using a standard deviation of the preprocessed electrical signal for an arousal interval. It is characterized in that it comprises the step of determining a step, the step of performing filtering post-processing on the electrical signal from which the arousal section has been removed, and the step of calculating a respiratory rate by applying a Fourier transform to the post-processed electrical signal. .
일 실시예에서, 상기 필터링 전처리를 수행하는 단계는 상기 압전 센서에서 발생한 전기 신호를 노치 필터(notch filter)에 적용하는 단계와, 상기 노치 필터가 적용된 전기 신호를 대역통과필터에 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the performing of the filtering preprocessing includes applying an electrical signal generated by the piezoelectric sensor to a notch filter, and applying the electrical signal to which the notch filter is applied to a bandpass filter. It is characterized by doing.
일 실시예에서, 상기 각성 구간을 결정하는 단계는 상기 전처리된 전기 신호의 표준편차를 산출하는 단계와, 상기 전기 신호의 표준편차에 대응하는 가우스 함수값의 표준편차를 산출하는 단계와, 상기 가우스 함수값의 표준편차에 기초하여 임계값을 설정하는 단계와, 상기 전기 신호의 표준편차와 상기 임계값의 비교 결과에 따라 상기 전기 신호의 각성 구간을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the determining of the arousal interval includes calculating a standard deviation of the preprocessed electrical signal, calculating a standard deviation of a Gaussian function value corresponding to the standard deviation of the electrical signal, and calculating the standard deviation of the Gaussian function value. The method may include setting a threshold value based on a standard deviation of the function value, and determining an arousal section of the electrical signal according to a comparison result between the standard deviation of the electrical signal and the threshold value.
일 실시예에서, 상기 필터링 후처리를 수행하는 단계는 상기 각성 구간이 제거된 전기 신호를 보간(interpolate)하는 단계와, 상기 보간된 전기 신호에 대역통과필터를 적용하는 단계와, 상기 대역통과필터가 적용된 전기 신호를 이동평균필터에 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the performing of the filtering post-processing may include interpolating the electrical signal from which the arousal section is removed, applying a band-pass filter to the interpolated electrical signal, and applying the band-pass filter to the interpolated electrical signal. and applying the applied electrical signal to a moving average filter.
일 실시예에서, 상기 호흡률을 산출하는 단계는 상기 후처리된 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계와, 상기 디지털 신호를 푸리에 변환하여 상기 전기 신호에 대한 주파수 성분을 산출하는 단계와, 상기 주파수 성분 중 최대 크기를 갖는 주파수에 기초하여 상기 호흡률을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the calculating of the respiratory rate may include converting the post-processed electrical signal into a digital signal, calculating a frequency component of the electrical signal by Fourier transforming the digital signal, and calculating the frequency component of the electrical signal. Calculating the respiratory rate based on the frequency having the maximum magnitude of the.
일 실시예에서, 상기 디지털 신호에 푸리에 변환을 적용하는 단계는 상기 디지털 신호에 고속 푸리에 변환(FFT)을 적용하여 상기 디지털 신호를 이산 푸리에 변환(DFT)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the step of applying a Fourier transform to the digital signal comprises applying a Fast Fourier Transform (FFT) to the digital signal to perform a Discrete Fourier Transform (DFT) on the digital signal.
일 실시예에서, 상기 압전 센서는 인체와 접촉하는 물체에 구비되어 인가되는 압력에 따라 내부 전하 특성이 변하는 값을 감지하여 생체 신호를 취득하는 신호감지부와, 상기 생체 신호를 증폭하는 신호증폭부와, 상기 생체 신호를 디지털 신호로 변환하여 생체 신호 데이터를 생성하는 신호변환부와, 상기 생체 신호 데이터를 시계열적인 값으로 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the piezoelectric sensor is provided on an object in contact with the human body and includes a signal sensing unit that detects a value in which internal charge characteristics change according to applied pressure and acquires a biosignal, and a signal amplification unit that amplifies the biosignal. and a signal conversion unit that converts the biosignal into a digital signal to generate biosignal data, and a control unit that outputs the biosignal data as a time-series value.
본 발명은 사용자가 쉽게 압전 센서를 착용할 수 있도록 하여 실생활에서도 호흡률의 측정이 가능한 장점이 있다.The present invention has the advantage of allowing the user to easily wear the piezoelectric sensor so that the respiratory rate can be measured in real life.
또한, 본 발명은 호흡으로 인해 발생하는 호흡 성분의 신호가 미미하더라도 노이즈를 효율적으로 제거하여 호흡률을 측정할 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention has the advantage of measuring the respiratory rate by efficiently removing noise even if the signal of the respiratory component generated due to breathing is insignificant.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.In addition to the effects described above, specific effects of the present invention will be described together while explaining specific details for carrying out the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서를 도시한 도면.
도 2a 및 도 2b는 압전 센서를 구성하는 신호감지부의 일 예시를 도시한 도면.
도 3은 압전 센서를 구성하는 신호증폭부의 일 예시를 도시한 도면.
도 4는 압전 센서를 구성하는 본체부가 신호증폭부와 신호변환부를 내장한 모습을 도시한 도면.
도 5는 압전 센서의 일 구현예를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법을 도시한 순서도.
도 7은 압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법의 세부 프로세스의 일 예시를 도시한 도면.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전처리 필터링 과정을 설명하기 위한 도면.
도 9는 각성 구간을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 10은 전기 신호를 푸리에 변환한 그래프를 도시한 도면.1 is a diagram showing a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention;
2A and 2B are diagrams illustrating an example of a signal sensing unit constituting a piezoelectric sensor;
3 is a diagram showing an example of a signal amplifier constituting a piezoelectric sensor;
4 is a view showing a state in which a main body constituting a piezoelectric sensor has a signal amplification unit and a signal conversion unit built in;
5 illustrates one embodiment of a piezoelectric sensor;
6 is a flowchart illustrating a respiratory rate detection method using a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing an example of a detailed process of a method for detecting a respiratory rate using a piezoelectric sensor;
8A to 8C are views for explaining a preprocessing filtering process according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram for explaining a method of determining an arousal section;
10 is a graph showing a graph obtained by Fourier transforming an electrical signal;
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.The above objects, features and advantages will be described later in detail with reference to the accompanying drawings, and accordingly, those skilled in the art to which the present invention belongs will be able to easily implement the technical spirit of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to indicate the same or similar components.
본 명세서에서 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.In this specification, first, second, etc. are used to describe various components, but these components are not limited by these terms, of course. These terms are only used to distinguish one component from another component, and unless otherwise stated, the first component may be the second component, of course.
또한, 본 명세서에서 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.In addition, in the present specification, "upper (or lower)" or "upper (or lower)" of a component means that an arbitrary component is disposed in contact with the upper (or lower) surface of the component. In addition, it may mean that other components may be interposed between the component and any component disposed on (or under) the component.
또한, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.In addition, in the present specification, when a component is described as being “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but other components may be present between each component. It should be understood that elements may be “interposed,” or that each element may be “connected,” “coupled,” or “connected” through other elements.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Also, singular expressions used in this specification include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, terms such as "consisting of" or "comprising" should not be construed as necessarily including all of the various components or steps described in the specification, and some of the components or some of the steps It should be construed that it may not be included, or may further include additional components or steps.
또한, 본 명세서에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다In addition, in this specification, when "A and / or B", unless otherwise specified, it means A, B or A and B, and when "C to D", it means a special opposite Unless otherwise specified, it means more than C and less than D
본 발명은 압전 센서를 통해 획득된 전기 신호에 기초하여 호흡률을 검출하는 방법에 관한 것이다. 먼저, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서를 설명한 뒤, 도 6 내지 도 10을 참조하여 압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.The present invention relates to a method for detecting a respiratory rate based on an electrical signal obtained through a piezoelectric sensor. First, a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5 , and then a respiratory rate detection method using the piezoelectric sensor will be described in detail with reference to FIGS. 6 to 10 .
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention.
도 2a 및 도 2b는 압전 센서를 구성하는 신호감지부의 일 예시를 도시한 도면이고, 도 3은 압전 센서를 구성하는 신호증폭부의 일 예시를 도시한 도면이다.2A and 2B are diagrams illustrating an example of a signal sensing unit constituting the piezoelectric sensor, and FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a signal amplifier constituting the piezoelectric sensor.
도 4는 압전 센서를 구성하는 본체부가 신호증폭부와 신호변환부를 내장한 모습을 도시한 도면이다. 한편, 도 5는 압전 센서의 일 구현예를 도시한 도면이다.4 is a view showing a state in which a main body constituting a piezoelectric sensor has a signal amplification unit and a signal conversion unit embedded therein. Meanwhile, FIG. 5 is a diagram illustrating an implementation example of a piezoelectric sensor.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서(piezoelectric sensor, 800)는 신호감지부(801), 신호증폭부(802), 신호변환부(803), 본체(805) 및 제어부(807)를 포함할 수 있다. 다만, 도 1에 도시된 압전 센서(800)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 1에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.Referring to FIG. 1, a
신호감지부(801)는 인체와 접촉하여 인체로부터 인가되는 압력에 따라 내부 전하 특성이 변하는 값을 감지하여 생체 신호를 취득할 수 있다. 여기서 생체 신호는 심박, 호흡, 수면, 수면 각성, 수면 효율 및 분당 호흡수 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 수면 중 무구속 상태에서 측정되는 신호일 수 있다.The
신호감지부(801)는 외부에서 인가되는 압력에 따라 내부 전하 특성이 변하는 압전 소자(1005)를 포함할 수 있고, 압전 소자(1005)는 PVDF(polyvinylidene fluoride) 재질의 스트립형(strip-type) 소자로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 신호감지부(801)의 압전 소자(예컨대, PVDF film, 1005)는 스크린 프린팅(screen printing)을 사용하여 제작된 양극성 전극(bipolar electrode, 1003), 구체적으로 상부(top) 전극 및 하부(bottom) 전극 사이에 구비될 수 있다. 한편, 양극성 전극(1003)이 복수의 돌기 패턴을 가질 때, 양극성 전극(1003)은 용량성 노이즈(capacitive noise)를 고려하여 양 극의 돌기 패턴이 서로 엇갈리도록 설계될 수 있다.Referring to FIGS. 2A and 2B, the piezoelectric element (eg, PVDF film, 1005) of the
이러한 신호감지부(801)는 매우 얇고 유연하게 설계됨으로써 사용자의 흉부 아래에 설치되었을 때 사용자가 느끼는 이질감을 줄일 수 있고, 이를 위해 신호감지부(801)를 구성하는 소자 간의 접촉 부분에 링 터미널(ring terminal)과 아일렛(eyelet)을 이용할 수 있다.This
전술한 신호감지부(801)는 전하량으로 표현되는 생체 신호를 출력할 수 있고, 신호증폭부(802)는 생체 신호를 증폭할 수 있다.The above-described
도 3을 참조하면, 신호증폭부(802)는 적은 양의 전하량을 증폭하고 전하에 비례하는 전압 신호를 출력하기 위한 전하증폭기(charge amplifier)와, 전하증폭기에서 출력된 전압 신호를 증폭하기 위한 전압증폭기(voltage amplifier)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the
생체 신호가 증폭되면 신호변환부(803)는 이를 디지털 신호로 변환하여 생체 신호 데이터를 생성할 수 있다.When the biosignal is amplified, the
신호변환부(803)는 신호증폭부(802)에서 출력되는 아날로그 전압 신호를 디지털로 변환하여 생체 신호 데이터를 생성할 수 있고, 이를 위해, ADC(Analog Digital Converter), 전압 레귤레이터(regulator), 오실레이터(oscillator) 등을 포함할 수 있다.The
한편, 전술한 신호증폭부(802)와 신호변환부(803)는 각각 커넥터를 통해 연결될 수 있도록 분리되어 본체(805) 내에 수용될 수 있다.Meanwhile, the aforementioned
도 4를 참조하면, 본체(805)는 신호증폭부(802)를 수용하는 제1 본체와 신호변환부(803)를 수용하는 제2 본체로 구성되며, 신호증폭부(802)와 신호변환부(803)가 커넥터를 통해 연결됨에 따라 제1 본체와 제2 본체가 결합될 수 있다. 이와 같이 신호증폭부(802)와 신호변환부(803)를 분리 구성하는 경우 향후 다채널을 통해 생체 신호를 수집할 수 있다는 장점이 있다.Referring to FIG. 4, the
제어부(807)는 신호변환부(803)에서 출력되는 생체 신호 데이터를 시계열적인 값으로 출력할 수 있다. 제어부(807)는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors) 중 적어도 하나의 물리적인 요소를 포함할 수 있다. 예컨대, 제어부(807)는 스마트폰, 태플릿, 노트북, PC 등으로 구현될 수 있다.The
도 5를 참조하면, 신호감지부(801)는, 신호증폭부(802)와 신호변환부(803)를 수용하는 본체(805)의 일단에 연결되고, 본체(805)의 타단은 제어부(807)와 연결될 수 있다. 제어부(807)는 생체 신호 데이터를 메모리에 파일 형태로 저장할 수 있고, 생체 신호 데이터를 시계열적인 그래프로 출력할 수 있다. 이를 위해, 제어부(807)에는 그래프 생성을 위한 어플리케이션이 탑재될 수 있다.Referring to FIG. 5, the
전술한 바와 같이 본 발명은 압전 센서(800)를 가볍고, 얇으며, 유연하게 설계함으로써, 사용자가 쉽게 압전 센서(800)를 착용할 수 있도록 하고, 이를 통해 실생활에서도 호흡률의 측정이 가능한 장점이 있다.As described above, by designing the
이상에서는 본 발명에 적용되는 압전 센서(800)의 일 예시를 설명하였으나 후술되는 호흡률 검출 방법은, 외부에서 인가되는 압력에 따른 전기 신호를 출력하는 임의의 압전 센서(800)가 이용될 수 있다.Although an example of the
이하, 도 6 내지 도 10을 참조하여 압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, a respiratory rate detection method using a piezoelectric sensor will be described in detail with reference to FIGS. 6 to 10 .
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법을 도시한 순서도이고, 도 7은 압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법의 세부 프로세스의 일 예시를 도시한 도면이다.6 is a flowchart illustrating a method for detecting a respiratory rate using a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a diagram illustrating an example of detailed processes of the method for detecting a respiratory rate using a piezoelectric sensor.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전처리 필터링 과정을 설명하기 위한 도면이다.8A to 8C are diagrams for explaining a preprocessing filtering process according to an embodiment of the present invention.
도 9는 각성 구간을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 10은 전기 신호를 푸리에 변환한 그래프를 도시한 도면이다.9 is a diagram for explaining a method of determining an arousal section. 10 is a graph showing a graph obtained by Fourier transforming an electrical signal.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법(이하, 호흡률 검출 방법)은 압전 센서(800)에서 발생한 전기 신호에 대한 필터링 전처리를 수행하는 단계(S100), 전기 신호의 표준편차를 이용하여 각성 구간을 결정하는 단계(S200), 각성 구간의 전기 신호에 대한 필터링 후처리를 수행하는 단계(S300) 및 전기 신호에 푸리에 변환을 적용하여 호흡률을 산출하는 단계(S400)을 포함할 수 있다. 다만, 도 6에 도시된 호흡률 검출 방법은 일 실시예에 따른 것이고, 발명을 이루는 각 단계들이 도 6에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 단계가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.Referring to FIG. 6 , a method for detecting a respiratory rate using a piezoelectric sensor (hereinafter, a method for detecting a respiratory rate) using a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention performs filtering preprocessing on an electrical signal generated by a piezoelectric sensor 800 (S100), Determining an arousal section using the standard deviation of the electrical signal (S200), performing filtering post-processing on the electrical signal in the arousal section (S300), and calculating a respiratory rate by applying a Fourier transform to the electrical signal (S300). S400) may be included. However, the respiratory rate detection method shown in FIG. 6 is according to an embodiment, and each step constituting the invention is not limited to the embodiment shown in FIG. 6, and some steps may be added, changed, or deleted as necessary. there is.
도 6에 도시된 각 단계들은 프로세서에 의해 수행될 수 있고, 앞서 설명한 압전 센서(800)의 제어부(807)에 의해 수행될 수도 있다. 다만, 이하에서는 프로세서를 본 발명의 수행 주체로 설명하도록 하며, 프로세서는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers) 등을 포함하여 구현될 수 있다.Each of the steps shown in FIG. 6 may be performed by a processor or may be performed by the
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 호흡률 검출 방법은 도 7과 같이 구체화될 수 있으며, 이하 도 7 예로 들어 본 발명의 동작을 설명하도록 한다.Meanwhile, a method for detecting a respiratory rate according to an embodiment of the present invention may be embodied as shown in FIG. 7, and the operation of the present invention will be described below with reference to FIG. 7 as an example.
프로세서는 압전 센서(800)에서 발생한 전기 신호에 대해 필터링 전처리를 수행할 수 있다(S100). 여기서 전기 신호는 압전 센서(800)의 출력 신호로서, 전술한 생체 신호를 포함할 수 있다.The processor may perform filtering preprocessing on the electric signal generated by the piezoelectric sensor 800 (S100). Here, the electrical signal is an output signal of the
압전 센서(800)는 사용자 움직임으로 인해 발생한 전기 신호(SignalStrip)를 출력할 수 있고, 전기 신호는 도 8a에 도시된 것과 같은 파형을 가질 수 있다. 한편, 도 8a에 도시된 전기 신호에는 전력선 간섭(예컨대, 60[Hz]의 주파수 노이즈)이 포함될 수 있다.The
이를 제거하기 위하여 프로세서는 전기 신호를 노치 필터(notch filter)에 적용할 수 있다(S11). 구체적으로, 프로세서는 전기 신호를 IIR(Infinite Impulse Response) 노치 필터에 적용시킬 수 있고, 이에 따라, 전기 신호는 도 8b에 도시된 파형과 같이 필터링될 수 있다.To remove this, the processor may apply the electrical signal to a notch filter (S11). Specifically, the processor may apply an infinite impulse response (IIR) notch filter to the electrical signal, and accordingly, the electrical signal may be filtered as shown in the waveform shown in FIG. 8B.
이어서, 프로세서는 움직임 성분(motion component)을 선택적으로 취득하기 위하여, 노치 필터가 적용된 전기 신호를 대역통과필터(Band Pass Filter; BPF)에 적용할 수 있다(S12). 구체적으로, 프로세서는 전기 신호를 0.4 내지 1[Hz]의 통과 대역을 갖는 IIR 대역통과필터에 적용할 수 있다. 이에 따라, 전기 신호는 도 8c에 도시된 파형과 같이 필터링될 수 있다.Subsequently, the processor may apply the electrical signal to which the notch filter is applied to a band pass filter (BPF) in order to selectively obtain a motion component (S12). Specifically, the processor may apply the electrical signal to an IIR band pass filter having a pass band of 0.4 to 1 [Hz]. Accordingly, the electrical signal may be filtered as shown in the waveform shown in FIG. 8C.
정리하면, 사용자 움직임에 의해 발생한 전기 신호는 단계(S11) 및 단계(S12)의 전처리 과정을 통해 노이즈가 제거되고 움직임 성분만이 추출될 수 있다.In summary, noise is removed from the electrical signal generated by the user's motion through the preprocessing of steps S11 and S12, and only motion components can be extracted.
이어서, 프로세서는 전처리된 전기 신호의 표준편차를 이용하여 각성 구간(awake section)을 결정할 수 있다(S200).Subsequently, the processor may determine an awake section using the standard deviation of the preprocessed electrical signal (S200).
다시 도 7을 참조하면, 프로세서는 전처리된 전기 신호의 표준편차를 산출할 수 있다(S13). 구체적으로, 프로세서는 오버랩된 시간 윈도우(예컨대, 7초)에 대하여, 전기 신호의 표준편차(SDsignal)를 반복적으로 산출할 수 있다.Referring back to FIG. 7 , the processor may calculate the standard deviation of the preprocessed electrical signal (S13). Specifically, the processor may repeatedly calculate the standard deviation (SD signal ) of the electrical signal for an overlapping time window (eg, 7 seconds).
이어서, 프로세서는 산출된 표준편차의 히스토그램(histogram)을 생성할 수 있고(S14), 히스토그램의 최대값보다 작은 빈(bin)에 가우스 함수를 적용하여 가우스 함수값을 산출할 수 있다(S15).Subsequently, the processor may generate a histogram of the calculated standard deviation (S14), and may calculate a Gaussian function value by applying a Gaussian function to a bin smaller than the maximum value of the histogram (S15).
이어서, 프로세서는 가우스 함수값의 표준편차를 산출할 수 있고, 이에 기초하여 각성 구간을 결정하기 위한 임계값을 설정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 가우스 함수값의 표준편차가 일 때, 그 배수 예컨대 를 임계값으로 설정할 수 있다.Then, the processor may calculate the standard deviation of the Gaussian function value, and based on this, a threshold value for determining the arousal section may be set. For example, a processor can determine that the standard deviation of the values of the Gaussian function is When , the multiple e.g. can be set as a threshold.
이어서, 프로세서는 전기 신호의 표준편차와 임계값의 비교 결과에 따라 전기 신호의 각성 구간을 결정할 수 있다(S16).Subsequently, the processor may determine an arousal section of the electrical signal according to a comparison result between the standard deviation of the electrical signal and the threshold (S16).
구체적으로, 도 9를 참조하면, 프로세서는 전기 신호의 표준편차에 대한 히스토그램에서 임계값보다 큰 우측 영역을 각성 구간으로 결정할 수 있고, 임계값보다 작은 좌측 영역을 수면 구간(sleep section)으로 결정할 수 있다.Specifically, referring to FIG. 9 , the processor may determine a right area larger than a threshold value as an awake section and a left area smaller than the threshold value as a sleep section in the histogram for the standard deviation of the electrical signal. there is.
각성 구간의 결정이 완료되면, 프로세서는 전기 신호에서 각성 구간을 제거하고, 각성 구간이 제거된 전기 신호에 대하여 필터링 후처리를 수행할 수 있다(S300).When the determination of the arousal interval is completed, the processor may remove the arousal interval from the electrical signal and perform filtering post-processing on the electrical signal from which the arousal interval is removed (S300).
다시 도 7을 참조하면, 프로세서는 동잡음(motion artifact)을 포함하는 각성 구간을 전기 신호로부터 제거할 수 있고(S17), 전기 신호에서 제거된 구간을 이웃 데이터를 이용하여 보간(interpolation)할 수 있다.Referring back to FIG. 7 , the processor may remove an arousal section including motion artifact from the electrical signal (S17), and may interpolate the removed section from the electrical signal using neighboring data. there is.
이어서, 프로세서는 보간된 전기 신호에 대역통과필터를 적용할 수 있다(S18). 구체적으로, 프로세서는 호흡 성분을 추출하기 위하여 보간된 전기 신호를 0.1 내지 0.5[Hz]의 통과 대역을 갖는 IIR 대역통과필터에 적용할 수 있다.Subsequently, the processor may apply a band pass filter to the interpolated electrical signal (S18). Specifically, the processor may apply the interpolated electrical signal to an IIR bandpass filter having a pass band of 0.1 to 0.5 [Hz] to extract the respiratory component.
이어서, 프로세서는 대역통과필터에 의해 필터링된 전기 신호의 평활화(smoothing)를 위해, 해당 전기 신호를 이동평균필터(Moving Average Filter; MAF)에 적용할 수 있다(S19). 예컨대, 프로세서는 2초의 시간 윈도우에 대하여, 전기 신호에 이동평균필터를 적용할 수 있다.Next, the processor may apply the electrical signal filtered by the bandpass filter to a moving average filter (MAF) for smoothing (S19). For example, the processor may apply a moving average filter to the electrical signal over a time window of 2 seconds.
정리하면, 사용자 움직임에 의하 발생한 전기 신호는 단계(S17) 내지 단계(S19)의 후처리 과정을 통해 동잡음이 제거되고 순수한 호흡 성분만이 추출될 수 있다.In summary, the electrical signal generated by the user's motion is removed from motion noise through the post-processing of steps S17 to S19, and only pure respiratory components can be extracted.
이어서, 프로세서는 후처리된 전기 신호에 푸리에 변환(Fourier transform)을 적용하여 호흡률을 산출할 수 있다(S400).Subsequently, the processor may calculate a respiratory rate by applying a Fourier transform to the post-processed electrical signal (S400).
프로세서는 후처리된 전기 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있고, 디지털 신호를 푸리에 변환하여 전기 신호에 대한 주파수 성분을 산출할 수 있다(S20).The processor may convert the post-processed electrical signal into a digital signal, and may calculate a frequency component of the electrical signal by Fourier transforming the digital signal (S20).
구체적으로, 다시 도 7을 참조하면, 프로세서는 시간에 따른 크기로 표현되는 디지털 전기 신호를 푸리에 변환하여 주파수 성분에 따른 크기로 표현되는 신호를 생성할 수 있다. 즉, 도 10에 도시된 바와 같이 시간(slow-time index)에 따른 크기(amplitude)로 표현되는 전기 신호는 푸리에 변환되어 주파수 성분에 따른 크기로 표현될 수 있다.Specifically, referring to FIG. 7 again, the processor may generate a signal expressed by a magnitude according to a frequency component by Fourier transforming a digital electrical signal expressed by a magnitude according to time. That is, as shown in FIG. 10 , an electric signal expressed as an amplitude according to a slow-time index may be Fourier transformed and expressed as an amplitude according to a frequency component.
한편, 푸리에 변환을 수행함에 있어서 프로세서는 디지털 전기 신호에 고속 푸리에 변환(Fast Fourier transform)을 적용하여 디지털 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier transform)할 수 있다. 다시 말해, 프로세서는 이산화된 시간에 대한 전기 신호를 이산화된 주파수에 대한 전기 신호로 변환할 수 있고, 변환 속도를 증가시키기 위하여 고속 푸리에 변환을 이용할 수 있다.Meanwhile, in performing the Fourier transform, the processor may discrete Fourier transform the digital signal by applying the fast Fourier transform to the digital electrical signal. In other words, the processor may convert the discretized time electrical signal into the discretized frequency electrical signal, and may use fast Fourier transform to increase the conversion speed.
전술한 푸리에 변환이 완료되면, 프로세서는 푸리에 변환된 전기 신호의 주파수 성분 중 최대 크기를 갖는 주파수에 기초하여 호흡률을 산출할 수 있다(S21).When the aforementioned Fourier transform is completed, the processor may calculate a respiratory rate based on a frequency having a maximum magnitude among frequency components of the Fourier transformed electrical signal (S21).
예컨대, 푸리에 변환된 전기 신호가 도 10에 도시된 것과 같을 경우, 프로세서는 전기 신호에 포함된 주파수 성분들 중에서 최대 크기를 갖는 주파수를 0.45[Hz]로 식별할 수 있다. 프로세서는 해당 주파수에 기초하여 호흡률을 분당 27회로 산출할 수 있다.For example, when the Fourier-transformed electrical signal is as shown in FIG. 10 , the processor may identify a frequency having a maximum magnitude as 0.45 [Hz] among frequency components included in the electrical signal. The processor may calculate a respiratory rate of 27 times per minute based on the corresponding frequency.
전술한 바와 같이, 본 발명은 호흡으로 인해 발생하는 호흡 성분의 신호가 미미하더라도 노이즈를 효율적으로 제거하여 호흡률을 측정할 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention has the advantage of measuring the respiratory rate by efficiently removing noise even if the signal of the respiratory component generated by breathing is insignificant.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.As described above, the present invention has been described with reference to the drawings illustrated, but the present invention is not limited by the embodiments and drawings disclosed in this specification, and various modifications are made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. It is obvious that variations can be made. In addition, although the operational effects according to the configuration of the present invention have not been explicitly described and described while describing the embodiments of the present invention, it is natural that the effects predictable by the corresponding configuration should also be recognized.
Claims (7)
전처리된 전기 신호의 표준편차를 이용하여 각성 구간을 결정하는 단계;
상기 각성 구간이 제거된 전기 신호에 대하여 필터링 후처리를 수행하는 단계; 및
후처리된 전기 신호에 푸리에 변환(Fourier transform)을 적용하여 호흡률을 산출하는 단계를 포함하는
압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법.
performing filtering pre-processing on the electric signal generated by the piezoelectric sensor;
determining an arousal section using a standard deviation of the preprocessed electrical signal;
performing post-filtering processing on the electrical signal from which the arousal section has been removed; and
Calculating a respiratory rate by applying a Fourier transform to the post-processed electrical signal
Respiratory rate detection method using piezoelectric sensor.
상기 필터링 전처리를 수행하는 단계는
상기 압전 센서에서 발생한 전기 신호를 노치 필터(notch filter)에 적용하는 단계와,
상기 노치 필터가 적용된 전기 신호를 대역통과필터에 적용하는 단계를 포함하는
압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법.
According to claim 1,
The step of performing the filtering preprocessing is
applying an electrical signal generated by the piezoelectric sensor to a notch filter;
Applying the notch filter-applied electrical signal to a band pass filter.
Respiratory rate detection method using piezoelectric sensor.
상기 각성 구간을 결정하는 단계는
상기 전처리된 전기 신호의 표준편차를 산출하는 단계와,
상기 전기 신호의 표준편차에 대응하는 가우스 함수값의 표준편차를 산출하는 단계와,
상기 가우스 함수값의 표준편차에 기초하여 임계값을 설정하는 단계와,
상기 전기 신호의 표준편차와 상기 임계값의 비교 결과에 따라 상기 전기 신호의 각성 구간을 결정하는 단계를 포함하는
압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법.
According to claim 1,
The step of determining the arousal section is
Calculating a standard deviation of the preprocessed electrical signal;
Calculating a standard deviation of a Gaussian function value corresponding to the standard deviation of the electrical signal;
setting a threshold value based on the standard deviation of the Gaussian function value;
Determining an arousal interval of the electrical signal according to a comparison result between the standard deviation of the electrical signal and the threshold
Respiratory rate detection method using piezoelectric sensor.
상기 필터링 후처리를 수행하는 단계는
상기 각성 구간이 제거된 전기 신호를 보간(interpolate)하는 단계와,
상기 보간된 전기 신호에 대역통과필터를 적용하는 단계와,
상기 대역통과필터가 적용된 전기 신호를 이동평균필터에 적용하는 단계를 포함하는
압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법.
According to claim 1,
The step of performing the filtering post-processing is
interpolating the electrical signal from which the arousal section has been removed;
applying a band pass filter to the interpolated electrical signal;
Applying the band-pass filter-applied electrical signal to a moving average filter
Respiratory rate detection method using piezoelectric sensor.
상기 호흡률을 산출하는 단계는
상기 후처리된 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계와,
상기 디지털 신호를 푸리에 변환하여 상기 전기 신호에 대한 주파수 성분을 산출하는 단계와,
상기 주파수 성분 중 최대 크기를 갖는 주파수에 기초하여 상기 호흡률을 산출하는 단계를 포함하는
압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법.
According to claim 1,
Calculating the respiratory rate
converting the post-processed electrical signal into a digital signal;
Fourier transforming the digital signal to calculate a frequency component of the electrical signal;
Comprising the step of calculating the respiratory rate based on the frequency having the maximum magnitude among the frequency components
Respiratory rate detection method using piezoelectric sensor.
상기 디지털 신호에 푸리에 변환을 적용하는 단계는
상기 디지털 신호에 고속 푸리에 변환(FFT)을 적용하여 상기 디지털 신호를 이산 푸리에 변환(DFT)하는 단계를 포함하는
압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법.
According to claim 5,
Applying a Fourier transform to the digital signal
Applying a Fast Fourier Transform (FFT) to the digital signal to perform a Discrete Fourier Transform (DFT) on the digital signal.
Respiratory rate detection method using piezoelectric sensor.
상기 압전 센서는
인체와 접촉하는 물체에 구비되어 인가되는 압력에 따라 내부 전하 특성이 변하는 값을 감지하여 생체 신호를 취득하는 신호감지부와,
상기 생체 신호를 증폭하는 신호증폭부와,
상기 생체 신호를 디지털 신호로 변환하여 생체 신호 데이터를 생성하는 신호변환부와,
상기 생체 신호 데이터를 시계열적인 값으로 출력하는 제어부를 포함하는
압전 센서를 이용한 호흡률 검출 방법.According to claim 1,
The piezoelectric sensor
a signal sensing unit provided on an object in contact with the human body and acquiring a biosignal by detecting a value in which internal charge characteristics change according to applied pressure;
a signal amplifier for amplifying the biosignal;
a signal conversion unit that converts the biosignal into a digital signal to generate biosignal data;
Including a control unit for outputting the biosignal data as a time-series value
Respiratory rate detection method using piezoelectric sensor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020210126294A KR20230043435A (en) | 2021-09-24 | 2021-09-24 | Method for detecting respiration rate using piezoelectric sensor |
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Publications (1)
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