KR20240019554A - 광전용적맥파(ppg) 측정 방법 및 장치 - Google Patents

광전용적맥파(ppg) 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

PPG(photoplethysmogram) 측정 장치로서, 서로 다른 파장의 제1 발광소자 및 제2 발광소자를 한 주기의 서로 다른 시간 구간에서 번갈아 구동시키되, 상기 한 주기의 일정 시간 구간에서 상기 제1 발광소자 및 상기 제2 발광소자를 동시에 오프(Off)하는 두 발광소자 모듈들, 측정 부위에서 광을 수득하도록 배치된 수광소자, 상기 수광소자를 통해 검출된 광을 디지털 신호로 변환하는 신호획득부, 상기 디지털 신호에서 상기 제1 발광소자에 관계된 제1 원천 PPG 신호, 상기 제2 발광소자에 관계된 제2 원천 PPG 신호, 그리고 주변광 신호를 분리하는 디먹스, 상기 제1 원천 PPG 신호와 상기 제2 원천 PPG 신호에서 상기 주변광 신호를 제거하여 제1 중간(intermediate) PPG 신호와 제2 중간 PPG 신호를 출력하는 주변광 신호 제거부, 그리고 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호의 차이를 이용해서, 모션 아티팩트가 제거된 타겟 PPG 신호를 출력하는 모션 아티팩트 제거부를 포함한다.

Description

광전용적맥파(PPG) 측정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASUREING PHOTOPLETHYSMOGRAM SIGNAL}
본 개시는 광전용적맥파(PPG) 측정에 관한 것이다.
건강 관리에 대한 수요가 증가함에 따라 생체 신호 센서가 많은 주목을 받고 있고 웨어러블 장치에 부착될 수도 있다. 생체 신호 센서 중에서 광전용적맥파(photoplethysmogram, PPG) 센서는 도 1과 같이, 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 통해 측정 부위에 빛을 입사시키고, 광다이오드(Photodiode, PD)를 통해 반사광을 검출해서 PPG 신호를 출력하는 비침습 센서로서, 단순하고 저렴해서 인기가 있다. 그러나 PPG 신호는 주변광(ambient light)에 영향을 받을 뿐만 아니라, 움직임에 의한 모션 아티팩트(Motion Artifact, MA)에 의해 품질이 저하되는 단점이 있다. 따라서, PPG 센서가, 걷거나 달리는 도중에 심박을 측정하기 위한 웨어러블 장치에 사용되기 위해서는 모션 아티팩트가 제거가 반드시 필요하다.
일반적으로 대역통과 필터를 사용해서 PPG 신호 주변의 아티팩트를 제거한다(논문1). 하지만, 대역통과 필터는 PPG 신호의 주파수 대역과 겹치는 아티팩트를 제거할 수 없다. 최소 평균 제곱(Least Mean Squares, LMS) 필터를 사용해서 모션 아티팩트를 제거하는 방법도 연구되고 있다(논문2-논문4). 측정된 PPG 신호에서 모션 아티팩트를 제거하기 위해서, LMS 필터는 제거하고자 하는 모션 아티팩트와 높은 상관관계를 가지지만, 추출하고자 하는 PPG 신호와 낮은 상관관계를 갖는 기준 신호를 입력받아야 한다. 따라서, LMS 필터로 입력되는 기준 신호를 만들기 위해, PPG 측정 시의 움직임을 별도로 감지하는 가속도계 등의 추가 센서가 필요하고, 결과적으로 제품 크기 및 비용이 증가한다. 또한, PPG 센서와 다른 종류인 가속도계 등을 이용하여 기준 신호를 생성하므로, 실제로 기준 신호는 PPG 센서의 측정 신호에 포함된 모션 아티팩트와 낮은 상관관계를 가지므로, 모션 아티팩트를 정확히 제거하는데 한계가 있다.
논문1: J. Moraes, M. Rocha, G. Vasconcelos, J. V. Filho, V. de Albuquerque, and A. Alexandria, ''Advances in photopletysmography signal analysis for biomedical applications,'' Sensors, vol. 18, no. 6, p. 1894, Jun. 2018. 논문2: A. B. Barreto, L. M. Vicente, and I. K. Persad, "Adaptive cancellation of motion artifact in photoplethysmographic blood volume pulse measurements for exercise evaluation," in Proc. IEEE-EMBC/CMBEC, Sep. 20-23, 1995, vol. 2, pp. 983-984. 논문3: A. R. Relente and L. G. Sison, "Characterization and adaptive filtering of motion artifacts in pulse oximetry using accelerometers," in Proc. Conf. EMBS/BMES, Houston, USA, Oct. 23-26, 2002, pp. 1769-1770. 논문4: K. W. Chan and Y. T. Zhang, "Adaptive reduction of motion artifact from photoplethysmographic recordings using a variable step-size LMS filter," in Proc. IEEE Sens., 2002, vol. 2, pp. 1343-1346.
본 개시는, 서로 다른 파장의 두 발광소자들을 시분할로 동작시켜 획득한 신호들을 이용하여, 주변광 및 모션 아티팩트를 순차적으로 제거하는 광전용적맥파(PPG) 측정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
한 실시예에 따른 PPG(photoplethysmogram) 측정 장치로서, 서로 다른 파장의 제1 발광소자 및 제2 발광소자를 한 주기의 서로 다른 시간 구간에서 번갈아 구동시키되, 상기 한 주기의 일정 시간 구간에서 상기 제1 발광소자 및 상기 제2 발광소자를 동시에 오프(Off)하는 두 발광소자 모듈들, 측정 부위에서 광을 수득하도록 배치된 수광소자, 상기 수광소자를 통해 검출된 광을 디지털 신호로 변환하는 신호획득부, 상기 디지털 신호에서 상기 제1 발광소자에 관계된 제1 원천 PPG 신호, 상기 제2 발광소자에 관계된 제2 원천 PPG 신호, 그리고 주변광 신호를 분리하는 디먹스, 상기 제1 원천 PPG 신호와 상기 제2 원천 PPG 신호에서 상기 주변광 신호를 제거하여 제1 중간(intermediate) PPG 신호와 제2 중간 PPG 신호를 출력하는 주변광 신호 제거부, 그리고 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호의 차이를 이용해서, 모션 아티팩트가 제거된 타겟 PPG 신호를 출력하는 모션 아티팩트 제거부를 포함한다.
상기 제1 발광소자는 적색 발광다이오드이고, 상기 제2 발광소자는 녹색 발광다이오드일 수 있다.
상기 디먹스는 상기 제1 발광소자 및 상기 제2 발광소자를 구동시키는 클럭들을 이용하여, 상기 디지털 신호에 혼합된 신호들을 분리할 수 있다.
상기 주변광 신호 제거부는 상관된 이중 샘플링(Correlated Double Sampling, CDS)을 통해, 상기 제1 원천 PPG 신호와 상기 제2 원천 PPG 신호에 포함된 상기 주변광 신호를 제거할 수 있다.
상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호의 AC 성분 비율, DC 성분 비율, 그리고 모션 아티팩트 성분 비율은 고정되고, 상기 DC 성분 비율과 상기 모션 아티팩트 성분 비율은 비슷한 값일 수 있다.
상기 모션 아티팩트 제거부는 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호를 입력받고, 상기 제2 중간 PPG 신호에 가중치를 적용한 후, 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 가중치가 적용된 제2 중간 PPG 신호의 차이를 상기 타겟 PPG 신호로 출력할 수 있다.
상기 가중치는 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호에 포함된 DC 성분 비율의 역수로 수렴할 수 있다.
상기 타겟 PPG 신호는 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호의 AC 성분에 해당하는 파형을 가질 수 있다.
상기 모션 아티팩트 제거부는 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호를 입력받는 최소 평균 제곱(Least Mean Squares, LMS) 필터로 구현되고, 출력 신호에서 아티팩트 성분과 DC 성분이 제거되는 상기 가중치를 찾아서, 상기 제2 중간 PPG 신호에 적용할 수 있다.
한 실시예에 따른 PPG(photoplethysmogram) 측정 장치로서, 제1 발광소자 및 제2 발광소자를 시분할로 구동시키고, 측정 부위에서 수득된 광을 검출해서 디지털 신호로 변환하는 아날로그 프런트-엔드(Analog Front-End) 모듈, 그리고 상기 디지털 신호에서 상기 제1 발광소자에 관계된 제1 원천 PPG 신호, 상기 제2 발광소자에 관계된 제2 원천 PPG 신호, 그리고 주변광 신호를 분리하고, 상기 제1 원천 PPG 신호와 상기 제2 원천 PPG 신호에서 상기 주변광 신호를 제거하고, 상기 주변광 신호가 제거된 제1 중간(intermediate) PPG 신호와 제2 중간 PPG 신호의 차이를 이용해서, 모션 아티팩트가 제거된 타겟 PPG 신호를 출력하는 디지털 백-엔드(Digital Back-End) 모듈을 포함할 수 있다.
상기 아날로그 프런트-엔드 모듈은상기 제1 발광소자 및 상기 제2 발광소자를 한 주기의 서로 다른 시간 구간에서 번갈아 구동시키되, 상기 한 주기의 일정 시간 구간에서 상기 제1 발광소자 및 상기 제2 발광소자를 동시에 오프(Off)할 수 있다.
상기 디지털 백-엔드 모듈은 상관된 이중 샘플링(Correlated Double Sampling, CDS)을 통해, 상기 제1 원천 PPG 신호와 상기 제2 원천 PPG 신호에 포함된 상기 주변광 신호를 제거할 수 있다.
상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호의 AC 성분 비율, DC 성분 비율, 그리고 모션 아티팩트 성분 비율은 고정되고, 상기 DC 성분 비율과 상기 모션 아티팩트 성분 비율은 비슷한 값일 수 있다.
상기 디지털 백-엔드 모듈은 최소 평균 제곱(Least Mean Squares, LMS) 필터로 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호를 입력하고, 상기 LMS 필터로부터 두 입력 신호들의 차이에 해당하는 상기 타겟 PPG 신호를 획득할 수 있다. 상기 LMS 필터는 상기 제2 중간 PPG 신호에 모션 아티팩트를 제거하기 위한 가중치를 적용한 후, 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 가중치가 적용된 제2 중간 PPG 신호의 차이를 출력할 수 있다.
상기 가중치는 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호에 포함된 DC 성분 비율의 역수로 수렴할 수 있다.
상기 타겟 PPG 신호는 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호의 AC 성분에 해당하는 파형을 가질 수 있다.
한 실시예에 따른 PPG(photoplethysmogram) 측정 방법으로서, 제1 발광소자 및 제2 발광소자를 시분할로 구동시키는 단계, 측정 부위에서 수득된 광을 검출해서 디지털 신호로 변환하는 단계,
상기 디지털 신호에서 상기 제1 발광소자에 관계된 제1 원천 PPG 신호, 상기 제2 발광소자에 관계된 제2 원천 PPG 신호, 그리고 주변광 신호를 분리하는 단계, 상기 제1 원천 PPG 신호와 상기 제2 원천 PPG 신호에서 상기 주변광 신호를 제거하여 제1 중간(intermediate) PPG 신호와 제2 중간 PPG 신호를 출력하는 단계, 그리고 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호의 차이를 이용해서, 모션 아티팩트가 제거된 타겟 PPG 신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 구동시키는 단계는 상기 제1 발광소자 및 상기 제2 발광소자를 한 주기의 서로 다른 시간 구간에서 번갈아 구동시키되, 상기 한 주기의 일정 시간 구간에서 상기 제1 발광소자 및 상기 제2 발광소자를 동시에 오프(Off)할 수 있다.
상기 제1 중간 PPG 신호와 제2 중간 PPG 신호를 출력하는 단계는 상관된 이중 샘플링(Correlated Double Sampling, CDS)을 통해, 상기 제1 원천 PPG 신호와 상기 제2 원천 PPG 신호에 포함된 상기 주변광 신호를 제거할 수 있다.
상기 타겟 PPG 신호를 출력하는 단계는 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호를 입력받고, 상기 제2 중간 PPG 신호에 가중치를 적용한 후, 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 가중치가 적용된 제2 중간 PPG 신호의 차이를 상기 타겟 PPG 신호로 출력할 수 있다. 상기 가중치는 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호에 포함된 DC 성분 비율의 역수로 수렴할 수 있다.
본 개시에 따르면, 원천 PPG 신호에서 주변광 및 모션 아티팩트를 순차적으로 제거하여 생체 정보를 포함하는 타겟 PPG 신호를 획득할 수 있고, 결과적으로 주변광이나 움직임에 관계없이 PPG 신호로부터 심박 등의 생체 정보를 정확히 얻을 수 있다.
본 개시에 따르면, 모션 아티팩트를 제거하기 위해 다른 종류의 센서들을 사용하지 않고, 수광소자에서 얻은 상관관계가 높은 두 신호들의 관계를 이용하여 모션 아티팩트를 제거하므로, LMS 필터에서 PPG 정보 손실 없이, PPG 신호와 동일한 주파수 성분을 가지는 모션 아티팩트를 제거할 수 있다.
본 개시에 따르면, 걷거나 달리는 도중에도 PPG 신호로부터 정확한 생체 정보를 얻을 수 있으므로, 웨어러블 장치에 PPG 센서를 사용할 수 있다.
본 개시에 따르면, 가속도센서 등의 센서를 추가하지 않더라도 모션 아티팩트를 제거할 수 있어서, PPG 측정 장치의 크기 및 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 PPG 센서의 예시이다.
도 2는 대역통과 필터로 모션 아티팩트를 제거하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 한 실시예에 따른 PPG 측정 장치의 구성도이다.
도 4는 한 실시예에 따른 두 LED들을 구동시키는 클럭 타이밍도의 예시이다.
도 5는 한 실시예에 따른 트랜스임피던스 증폭기(TIA)의 예시이다.
도 6은 한 실시예에 따라 분리된 주변광 신호, 적색 PPG 신호, 녹색 PPG 신호의 예시이다.
도 7은 한 실시예에 따른 LMS 필터 기반 모션 아티팩트 제거부의 동작을설명하는 도면이다.
도 8은 한 실시예에 따른 LMS 필터 기반 모션 아티팩트 제거부의 출력을 설명하는 도면이다.
도 9는 한 실시예에 따른 PPG 측정 방법의 흐름도이다.
도 10은 PPG 측정 결과를 비교한 도면이다.
도 11은 움직임에 따른 PPG 측정 결과를 비교한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시의 실시예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
설명에서, 도면 부호 및 이름은 설명의 편의를 위해 붙인 것으로서, 장치들이 반드시 도면 부호나 이름으로 한정되는 것은 아니다.
설명에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
다음에서, 광전용적맥파(photoplethysmogram)를 간단히 'PPG'라고 부른다.
다음에서, 발광소자는 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)이고, 수광소자는 광다이오드(Photodiode, PD)라고 예를 들어 설명한다.
도 2는 대역통과 필터로 모션 아티팩트를 제거하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 2를 참고하면, 광다이오드(PD)를 통해 검출된 원천 PPG 신호(PPGRAW)는 움직임에 의해 상당히 영향을 받는 것을 알 수 있다. 이렇게 움직임에 의한 신호 왜곡을 모션 아티팩트(Motion Artifact, MA)라고 부른다.
대역통과 필터(Band-Pass Filter, BPF)를 사용해서 PPG 신호 주변의 아티팩트를 제거할 수 있지만, PPG 신호의 주파수 대역과 겹치는 아티팩트를 제거할 수 없다. 따라서, 대역통과 필터를 통과한 PPG 신호(PPGBPF)는 원천 PPG 신호(PPGRAW)에 비해 개선되기는 했으나, 여전히 파형 왜곡이 존재함을 알 수 있다.
배경기술에서도 설명한 바와 같이, 최소 평균 제곱(Least Mean Squares, LMS) 필터를 사용해서 모션 아티팩트를 제거하는 방법 역시 연구되고 있으나, 원천 PPG 신호에서, 다른 센서에서 측정된 움직임 신호를 제거하는 방식이라서, 원천 PPG 신호에 포함된 모션 아티팩트를 제거하는데 한계가 있다.
또한, 원천 PPG 신호에는 측정 시의 주변광에 의한 오프셋(offset)이 추가되는데, 주변광이 PPG 신호와 비슷한 주파수 성분을 가진다면, 대역통과 필터로 제거되지 않는다. 움직임에 의해 광다이오드(PD)에서 측정되는 빛의 왜곡이 존재할 뿐만 아니라, 주변광에 의한 노이즈도 추가되는데 이를 동시에 제거하는 것이 쉽지 않다. 따라서, 대부분의 기존 연구들은 모션 아티팩트를 제거하는데 집중하고, 주변광에 의한 영향을 고려하지 않는데, 이는 기존 LMS 필터로 입력되는 기준 신호와 원천 PPG 신호의 상관관계가 낮아지는 원인이기도 하다. 또한, PPG 센서가 웨어러블 장치에 적용되면, 다양한 주변광 영향을 무시할 수 없으므로, 원천 PPG 신호에서 주변광과 모션 아티팩트를 모두 제거할 필요가 있다.
다음에서, 서로 다른 파장의 두 발광소자들을 이용하여 주변광 및 모션 아티팩트를 순차적으로 제거하는 PPG 측정 방법 및 장치에 대해 설명한다.
도 3은 한 실시예에 따른 PPG 측정 장치의 구성도이고, 도 4는 한 실시예에 따른 두 LED들을 구동시키는 클럭 타이밍도의 예시이고, 도 5는 한 실시예에 따른 트랜스임피던스 증폭기(TIA)의 예시이며, 도 6은 한 실시예에 따라 분리된 주변광 신호, 적색 PPG 신호, 녹색 PPG 신호의 예시이다.
도 3을 참고하면, PPG 측정 장치(100)는 발광소자를 통해 측정 부위(예를 들면, 손가락)에 빛을 입사시키고, 수광소자를 통해 수득된 광을 검출해서 PPG 신호를 출력하는데, 아날로그 신호를 처리하는 아날로그 프런트-엔드(Analog Front-End) 모듈과 디지털 신호를 처리하는 디지털 백-엔드(Digital Back-End) 모듈로 구성될 수 있다. 아날로그 프런트-엔드와 디지털 백-엔드는 하나의 물리적 장치에 포함될 수 있고, 또는, 아날로그 프런트-엔드와 디지털 백-엔드는 분리되어 유무선 네트워크로 연결될 수 있다.
PPG 측정 장치(100)의 아날로그 프런트-엔드는, 서로 다른 파장의 광을 서로 다른 시간 구간에서 방출하는 두 발광소자(LED) 모듈들(110, 111), 광을 수득하도록 배치된 수광소자(PD)(120), 수광소자(120)를 통해 검출된 광을 디지털 신호로 변환하는 신호획득부를 포함할 수 있다. 신호획득부는 수광소자(120)에서 수득된 광에 대해 발생시킨 전류 Iin을 전압으로 변환하는 트랜스임피던스 증폭기(Transimpedence Amplifier, TIA)(130), 그리고 아날로그-디지털 변환기(Analog-to-digital converter, ADC)(140)를 포함할 수 있다. 광다이오드(PD)(120)는 배치에 따라 측정 부위에서 반사된 광을 수득하거나, 측정 부위를 투과한 광을 수득할 수 있는데, 주로 반사광을 수득하는 것으로 설명할 수 있다.
여기서, 발광소자 모듈들(110, 111)은 서로 다른 파장의 광을 방출하는데, 설명에서는 적색광을 방출하는 LEDred와 녹색광을 방출하는 LEDgreen이 사용된다고 가정하고, 서로 다른 시간 구간에서 켜지고 꺼지므로 깜빡이는 LED들(blinking LEDs)이다. 한편, 수광소자인 광다이오드(120)로 LEDred와 LEDgreen의 반사광뿐만 아니라, 주변광(Ambient light)이 계속 들어갈 수 있다. 따라서, PPG 측정 장치(100)의 아날로그 프런트-엔드에서, 주변광 신호, 적색 PPG 신호, 녹색 PPG 신호가 포함된 혼합 신호가 출력될 수 있다.
PPG 측정 장치(100)의 디지털 백-엔드는, ADC(140)에서 출력된 혼합 신호를 분리하는 디먹스(Demux)(150), 분리된 적색 PPG 신호와 녹색 PPG 신호에서 주변광 신호를 제거하는 주변광 신호 제거부(Ambient light elimination unit)(160), 모션 아티팩트 제거부(Motion artifact reduction unit)(170)를 포함할 수 있다. 모션 아티팩트 제거부(170)에서 출력된 타겟 PPG 신호는 저역통과 필터(Low Pass Filter, LPF)(180)를 통과한 후 출력될 수 있다.
이렇게, PPG 측정 장치(100)의 디지털 백-엔드가, 원천 PPG 신호들에서 주변광과 모션 아티팩트가 제거된 타겟 PPG 신호가 출력된다. 다음에서 PPG 측정 장치(100)에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, LED 모듈들(110, 111) 각각은 서로 다른 파장의 LED, 예를 들면, LEDred, LEDgreen) 그리고 이를 구동시키는 LED 구동 회로를 포함한다. 여기서, LEDred과 LEDgreen은 파장뿐만 아니라, 광세기도 다르다. 각 LED 구동 회로는 클럭 CLKred, CLKgreen에 따라 LED를 구동시킨다. LEDred와 LEDgreen은, 클럭 CLKred와 CLKgreen에 의해, 한 주기 동안 시분할된 시간 구간에서 번갈아 켜지고 꺼지는데, 한 주기의 일정 시간 구간에서는 LEDred와 LEDgreen이 모두 꺼진다.
도 4를 참고하면, 클럭 CLKred와 CLKgreen은 한 주기 T를 시분할한 서로 다른 시간 구간에서 LED를 구동(On)시키는 하이(high) 값을 가지고, 주변광을 측정하기 위해 일정 시간 구간(예를 들면, 한 주기의 40%) 동안은 LED들을 모두 정지(Off)시키는 로우(low) 값을 가질 수 있다. 예를 들면, LEDred의 클럭 CLKred는 한 주기 T의 초기 30%인 시간 구간 T1 동안 LEDred를 온(On)시키고, 나머지 70% 시간 구간 T2 동안 LEDred를 오프(Off)시키도록 설정될 수 있다. LEDgreen의 클럭 CLKgreen는 LEDred와 겹치지 않는 시간 구간 T1 동안 LEDgreen을 온(On)시키고, 나머지 70% 시간 구간 T2 동안 LEDgreen을 오프(Off)시키도록 설정될 수 있다. 한 주기에서, 시간 구간 T1 동안 켜진 LEDred가 꺼지면, LEDgreen가 시간 구간 T1 동안 켜지고, 이후 두 LEDred 및 LEDgreen가 니머지 시간 구간 동안 꺼진다고 설명한다.
도 5를 참고하면, 광다이오드(120)는 시분할로 발광하는 LEDred 및 LEDgreen의 적색광 및 녹색광, 그리고 주변광이 들어오면, 이에 해당하는 전류 Iin을 발생시킨다. 즉, LEDred가 켜진 동안에, 광다이오드(120)는 적색 PPG 신호에 해당하는 전류를 생성하는데, 적색 PPG 신호에는 주변광 신호가 포함되어 있다. 마찬가지로, LEDgreen이 켜진 동안에, 광다이오드(120)는 녹색 PPG 신호에 해당하는 전류를 생성하는데, 녹색 PPG 신호에도 주변광 신호가 포함되어 있다. 한편, LEDred 및 LEDgreen이 모두 꺼진 동안에, 광다이오드(120)는 주변광 신호에 해당하는 전류를 생성할 수 있다.
TIA(130)는 광다이오드에서 발생된 전류 Iin을 전압으로 변환해서 출력한다. TIA(130)의 광전변환 회로 구조는 다양할 수 있는데, 예를 들면, 이득 Rf가 1MΩ이고 대역폭 fc,TIA은 1.94kHz로 설계될 수 있다. 이때, 저역통과 필터가 TIA 출력에 연결되어 AAF(Antialiasing Filter)로 동작할 수 있다.
ADC(140)는 TIA(130)에서 출력된 아날로그 전압을 샘플링하여 디지털 신호로 변환한다. ADC(140)는 TIA(130)에서 출력된 전압을 64kHz로 샘플링하여 디지털로 변환할 수 있다. TIA(130)에서 출력된 아날로그 전압은 광다이오드(120)에서 시간에 따라 수득된 적색광 및 녹색광, 그리고 주변광에 해당하는 전압이므로, ADC(140)는 적색광으로부터 측정된 적색 PPG 신호, 녹색광으로부터 측정된 녹색 PPG 신호, 그리고 주변광으로부터 측정된 주변광 신호가 혼합된 혼합 신호를 출력할 수 있다.
디먹스(150)는 ADC(140)에서 출력된 혼합 신호를 각 LED의 발광 타이밍(클럭)에 따라 시간 도메인에서 분리해서, 혼합 신호로부터 적색 PPG 신호, 녹색 PPG 신호, 주변광 신호를 추출할 수 있다. 클럭 CLKred와 CLKgreen에 따라, LEDred 및 LEDgreen가 시분할로 발광하고, LEDred 및 LEDgreen가 모두 꺼지는 타이밍을 알고 있으므로, 디먹스(150)는 ADC(140)에서 출력된 혼합 신호를 LED 구동 시간에 따라 적색 PPG 신호, 녹색 PPG 신호, 주변광 신호로 분리할 수 있다.
도 6을 참고하면, 아날로그 프런트-엔드로부터 전달된 혼합 신호에서, 주변광 신호(y1), 적색 PPG 신호(y2), 녹색 PPG 신호(y3)가 분리될 수 있다. 여기서, LEDred나 LEDgreen의 반사광이 광다이오드(120)로 들어올 때, 주변광도 함께 들어오므로, 측정된 적색 PPG 신호(y2)와 측정된 녹색 PPG 신호(y3)를 살펴보면, 생체 정보에 관계된 PPG 신호(PPGR, PPGG)에 주변광 신호(y1)가 오프셋으로 포함되어 있다.
주변광 신호 제거부(160)는 디먹스(150)에서 분리된 주변광 신호(y1)를 알고 있으므로, 측정된 적색 PPG 신호(y2)와 측정된 녹색 PPG 신호(y3)에서 주변광 신호(y1)를 제거하여, 중간(intermediate) 단계의 적색 PPG 신호 PPGR와 녹색 PPG 신호 PPGG를 얻을 수 있다. 주변광 신호 제거부(160)는 상관된 이중 샘플링(Correlated Double Sampling, CDS) 기법을 사용해서 주변광 신호를 제거할 수 있다.
모션 아티팩트 제거부(170)는 주변광 신호(y1)가 제거된 적색 PPG 신호 PPGR과 녹색 PPG 신호 PPGG의 차이를 이용해서, 공통으로 포함된 모션 아티팩트를 제거하고, 생체 정보를 포함하는 타겟 PPG 신호를 출력할 수 있다.
적색 PPG 신호 PPGR, 녹색 PPG 신호 PPGG은 동일한 광다이오드(120)에서 수득된 적색광과 녹색광으로부터 얻은 신호이므로, 상관관계가 높다. 즉, 적색 PPG 신호 PPGR과 녹색 PPG 신호 PPGG는, 파장 및 세기가 다르지만 동일한 지점에서 측정되었으므로, 시간 도메인에서 거의 동일한 신호 파형을 가지게 된다. 따라서, 모션 아티팩트 제거부(170)는 주변광 신호가 제거된 적색 PPG 신호 PPGR과 녹색 PPG 신호 PPGG의 신호 세기를 고려하여, 모션 아티팩트가 제거될 수 있는 가중치 W를 찾는다. 그리고, 모션 아티팩트 제거부(170)는 가중치 W로 적색 PPG 신호 PPGR과 녹색 PPG 신호 PPGG 중 어느 하나의 신호 세기를 조정한 후, 두 신호 차이를 계산하여 모션 아티팩트를 제거할 수 있다. 모션 아티팩트 제거부(170)는 모션 아티팩트에 의해 왜곡되지 않은 파형을 가진 타겟 PPG 신호를 출력할 수 있다. 타겟 PPG 신호는 원천 PPG 신호의 AC 성분에 해당하고, 생체 정보에 관계된 파형을 가진다.
모션 아티팩트 제거부(170)는 최소 평균 제곱(Least Mean Squares, LMS) 필터를 이용하여, 모션 아티팩트가 제거된 타겟 PPG 신호를 출력할 수 있다. 따라서, PPG 측정 장치(100)는 CDS-LMS 기반 PPG 측정 장치라고 부를 수 있다.
도 7은 한 실시예에 따른 LMS 필터 기반 모션 아티팩트 제거부의 동작을설명하는 도면이고, 도 8은 한 실시예에 따른 LMS 필터 기반 모션 아티팩트 제거부의 출력을 설명하는 도면이다.
도 7을 참고하면, 모션 아티팩트 제거부(170)는 주변광 신호가 제거된 적색 PPG 신호 PPGR를 s포트 신호로 입력받고, 녹색 PPG 신호 PPGG를 x포트 신호로 입력받을 수 있다. 여기서, s포트 신호와 x포트 신호로 입력되는 PPG가 바뀌어도 무방하다.
모션 아티팩트 제거부(170)는 두 입력 신호의 관계를 기초로 모션 아티팩트가 제거될 수 있는 가중치 W를 찾고, 가중치 W로 녹색 PPG 신호 PPGG의 신호 세기를 조정한 후, 적색 PPG 신호 PPGR와 신호 세기 조정된 녹색 PPG 신호 PPGG의 차이(e=s-y)를 타겟 PPG 신호로 출력할 수 있다. 모션 아티팩트 제거부(170)는 최소 평균 제곱(LMS) 기반으로 가중치 W를 찾는 LMS 필터일 수 있다. 기존 LMS 필터는 PPG 신호, 그리고 제거하고자 하는 모션 아티팩트(별도 센서로 측정한 움직임 기준 신호)를 입력받았다면, 모션 아티팩트 제거부(170)는 두 PPG 신호를 입력받는 차이가 있다.
적색 PPG 신호 PPGR와 녹색 PPG 신호 PPGG는 수학식 1 및 수학식 2와 같이 AC 성분, DC 성분, 모션 아티팩트(MA) 성분을 포함한다. 이때, 적색 PPG 신호 PPGR와 녹색 PPG 신호 PPGG는 동일한 위치에서 측정되었으므로, 적색 PPG 신호 PPGR의 MA 성분인 MAR은, 녹색 PPG 신호 PPGG의 MA 성분인 MAG과 높은 상관관계를 가진다.
한편, 적색 PPG 신호 PPGR와 녹색 PPG 신호 PPGG의 각 성분은 수학식 3과 같은 관계를 가진다. 따라서, 수학식 2의 PPGG는 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
수학식 4에서, 변수 α, β, γ는 적색 PPG 신호 PPGR와 녹색 PPG 신호 PPGG의 AC 성분, DC 성분, MA 성분의 비율이다. 여기서, AC 성분은 생체 정보를 포함하는 성분으로서, DC 성분과 독립적이고, AC 성분의 비율 α는 DC 성분의 비율 β와 다르다. 대신, MA 성분은 대부분 DC 성분의 변동에 의한 것이라서, DC 성분의 비율 β는 MA 성분의 비율 γ와 비슷하다. 따라서, 모션 아티팩트 제거부(170)의 출력 e는 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
여기서, LMS 필터의 가중치 W는 수학식 6의 E[e2]을 최소로 만드는 값으로 수렴하는데, DC 성분이 AC 성분에 비해 훨씬 큰 파워(50배 이상)를 가지므로, 수학식 7과 같이 가중치 W가 DC 성분 비율의 역수 1/β로 수렴할 때 E[e2]가 최소가 된다.
따라서, 수학식 5의 출력 e는 W가 1/β인 경우, 수학식 8과 같이 AC 성분만으로 표현될 수 있다.
이와 같이, 모션 아티팩트 제거부(170)는 상관관계가 높고 주변광이 제거된 적색 PPG 신호 PPGR과 녹색 PPG 신호 PPGG의 관계를 이용하여, 모션 아티팩트와 DC 성분을 제거하고, 생체 정보를 포함하는 AC 성분의 타겟 PPG 신호를 출력할 수 있다. 따라서, 모션 아티팩트 제거부(170)는 AC 성분과 겹치는 대역의 모션 아티팩트까지 제거하고, AC 성분만을 남길 수 있다.
이렇게, 모션 아티팩트 제거부(170)가 LMS 필터를 통해, AC 성분을 가지는 타겟 PPG 신호를 출력할 수 있는 이유는, 주변광 신호 제거부(160)가 PPG 신호에 포함된 주변광을 제거함으로써, 수학식 3과 같이 AC 성분 비율, DC 성분 비율, MA 성분 비율이 고정될 수 있기 때문이다.
도 8을 참고하면, (a)와 같이, 모션 아티팩트 제거부(170)에서 가중치 W가, 적색 PPG 신호 PPGR과 녹색 PPG 신호 PPGG의 DC 성분 비율의 역수 1/β로 수렴함에 따라, (b)와 같이, 가중치 W로 가중된 녹색 PPG 신호 PPGG가 적색 PPG 신호 PPGR를 따르는 것을 알 수 있다.
따라서, (c)를 참고하면, 모션 아티팩트 제거부(170)의 출력 e는 맥동 파형(pulsatile waveform)을 출력하는데, 이는 수학식 7에서 언급한 바와 같이, PPG 신호의 AC 성분에 해당한다. 특히, 스쿼트(squatting) 움직임 동안에도, 움직이지 않은 상태에서 측정한 맥동 파형과 유사한 PPG 신호가 출력되므로, 모션 아티팩트가 제거된 것을 확인할 수 있다.
도 9는 한 실시예에 따른 PPG 측정 방법의 흐름도이다.
도 9를 참고하면, PPG 측정 장치(100)는 서로 다른 파장의 두 발광소자들을 한 주기의 서로 다른 시간 구간에서 번갈아 구동시키되, 한 주기의 일정 시간 구간에서 두 발광소자들을 동시에 오프시키는 시분할 구동 방식으로, 측정 부위로 광을 방출한다(S110). 두 발광소자들은 적색광을 방출하는 LEDred와 녹색광을 방출하는 LEDgreen일 수 있다. 두 발광소자들에서 방출되는 광 세기도 차이가 있을 수 있다.
PPG 측정 장치(100)는 수광소자를 통해 검출된 광을 디지털 신호로 변환한다(S120). PPG 측정 장치(100)는 광다이오드에서 수득된 광에 의해 발생된 전류를 전압으로 변환하고, 전압을 샘플링해서 디지털 신호로 변환할 수 있다.
PPG 측정 장치(100)는 디지털 신호에서 제1 발광소자(LEDred)에 관계된 제1 원천(raw) PPG 신호, 제2 발광소자(LEDgreen)에 관계된 제2 원천 PPG 신호, 그리고 주변광 신호를 분리한다(S130). PPG 측정 장치(100)는 LEDred 및 LEDgreen이 시분할로 발광하고, LEDred 및 LEDgreen이 모두 꺼지는 타이밍을 알고 있으므로, LED 구동 시간에 따라 디지털 신호에서 적색 PPG 신호, 녹색 PPG 신호, 주변광 신호로 분리할 수 있다.
PPG 측정 장치(100)는 제1 원천 PPG 신호와 제2 원천 PPG 신호에서 주변광 신호를 제거한다(S140). 제1 원천 PPG 신호와 제2 원천 PPG 신호가 측정될 때, 발광소자의 광뿐만 아니라, 주변광도 함께 광다이오드로 들어오므로, 제1 원천 PPG 신호와 제2 원천 PPG 신호에 주변광 신호가 노이즈로 포함되어 있다. 이때, PPG 측정 장치(100)는 두 발광소자들이 오프된 시간 구간에서 측정된 신호로부터 주변광 신호를 알 수 있으므로, 제1 원천 PPG 신호와 제2 원천 PPG 신호에 포함된 주변광 신호를 제거할 수 있다. PPG 측정 장치(100)는 상관된 이중 샘플링(CDS) 기법을 사용해서 주변광 신호를 제거할 수 있다.
PPG 측정 장치(100)는 주변광 신호가 제거된 제1 PPG 신호(PPGR) 및 제2 PPG 신호(PPGG)의 차이를 이용해서, 공통으로 포함된 모션 아티팩트를 제거하고, 생체 정보를 포함하는 타겟 PPG 신호를 출력한다(S150). 주변광 신호가 제거된 제1 PPG 신호(PPGR) 및 제2 PPG 신호(PPGG)는 중간(intermediate) 단계의 PPG 신호이다. 주변광 신호가 제거된 제1 PPG 신호(PPGR) 및 제2 PPG 신호(PPGG)는 맥동 파형과 같은 생체 정보를 포함하는 AC 성분뿐만 아니라, AC 성분에 비해 큰 파워를 가지는 DC 성분과 모션 아티팩트(MA) 성분을 포함한다. 여기서, 주변광이 제거된 제1 PPG 신호(PPGR) 및 제2 PPG 신호(PPGG)는 AC 성분 비율, DC 성분 비율, MA 성분 비율이 고정될 수 있고, AC 성분 비율은 DC 성분 비율과 다르지만, MA 성분 비율은 DC 성분 비율과 비슷하다. 따라서, PPG 측정 장치(100)는 제1 PPG 신호(PPGR)와 제2 PPG 신호(PPGG)의 차이에서 MA 성분과 DC 성분이 제거되고 AC 성분만 남도록, 두 신호 중 어느 하나에 가중치를 적용한 후, 신호 차이를 계산할 수 있다. PPG 측정 장치(100)는 LMS 필터 기반으로 입력된 두 PPG 신호의 차이를 계산할 수 있다. LMS 필터의 가중치 W는 DC 성분 비율의 역수로 수렴할 수 있다.
도 10은 PPG 측정 결과를 비교한 도면이다.
도 10을 참고하여, 정답값인 심전도(electrocardiogram, ECG) 신호와 PPG 신호를 비교해 본다. 주변광 및 모션 아티팩트를 순차적으로 제거한 본 개시의 PPG 신호는 PPI(peak-to-peak interval)가 EGC RRI(R-R interval)과 비슷한 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 2에서 설명한 바와 같이 대역통과 필터로 모션 아티팩트를 제거한 PPG 신호는 EGC RRI와 차이가 있는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 움직임에 따른 PPG 측정 결과를 비교한 도면이다.
도 11을 참고하여, 주변광 및 모션 아티팩트를 순차적으로 제거한 본 개시의 PPG 신호(PPGCDD-LMS)와 대역통과 필터로 모션 아티팩트를 제거한 PPG 신호(PPGBPF)에 대해, 움직임에 따른 정확도를 비교해 본다. 모든 움직임은 PPG 신호의 주파수 스펙트럼과 겹치는 약 1~3Hz의 주파수로 반복된다.
움직임이 없는 상태(without motion)에서 측정된 (a)를 살펴보면, PPGCDD-LMS와 PPGBPF의 PPI는 모두 EGC RRI와 비슷하다.
하지만, 스쿼트하면서 측정된 (b), 걸으면서 측정된 (c), 그리고 달리면서 측정된 (d)를 살펴보면, 본 개시의 방법으로 측정된 PPGCDD-LMS의 PPI는 EGC RRI와의 선형 라인 근처에 분포하지만, PPGBPF의 PPI는 선형 라인을 크게 벗어나는 것을 확인할 수 있다. PPGBPF는 PPG 신호와 겹치는 모션 아티팩트를 제거하기 어려워, 정확도가 떨어진다.
이처럼, 움직임이 없으면 모션 아티팩트에 의한 왜곡이 적어서 PPGCDD-LMS와 PPGBPF의 차이가 크지 않지만, 움직임에 의한 모션 아티팩트를 제거할 수 있는 PPGCDD-LMS는 PPGBPF에 비해 정확도가 높고, EGC와 높은 상관관계를 가지는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 개시에 따르면, 원천 PPG 신호에서 주변광 및 모션 아티팩트를 순차적으로 제거하여 생체 정보를 포함하는 타겟 PPG 신호를 획득할 수 있고, 결과적으로 주변광이나 움직임에 관계없이 PPG 신호로부터 심박 등의 생체 정보를 정확히 얻을 수 있다.
본 개시에 따르면, 모션 아티팩트를 제거하기 위해 다른 종류의 센서들을 사용하지 않고, 수광소자에서 얻은 상관관계가 높은 두 신호들의 관계를 이용하여 모션 아티팩트를 제거하므로, LMS 필터에서 PPG 정보 손실 없이, PPG 신호와 동일한 주파수 성분을 가지는 모션 아티팩트를 제거할 수 있다.
본 개시에 따르면, 걷거나 달리는 도중에도 PPG 신호로부터 정확한 생체 정보를 얻을 수 있으므로, 웨어러블 장치에 PPG 센서를 사용할 수 있다.
본 개시에 따르면, 가속도센서 등의 센서를 추가하지 않더라도 모션 아티팩트를 제거할 수 있어서, PPG 측정 장치의 크기 및 비용을 줄일 수 있다.
이상에서 설명한 본 개시의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 개시의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.
이상에서 본 개시의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 개시의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 개시의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 개시의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. PPG(photoplethysmogram) 측정 장치로서,
    서로 다른 파장의 제1 발광소자 및 제2 발광소자를 한 주기의 서로 다른 시간 구간에서 번갈아 구동시키되, 상기 한 주기의 일정 시간 구간에서 상기 제1 발광소자 및 상기 제2 발광소자를 동시에 오프(Off)하는 두 발광소자 모듈들,
    측정 부위에서 광을 수득하도록 배치된 수광소자,
    상기 수광소자를 통해 검출된 광을 디지털 신호로 변환하는 신호획득부,
    상기 디지털 신호에서 상기 제1 발광소자에 관계된 제1 원천 PPG 신호, 상기 제2 발광소자에 관계된 제2 원천 PPG 신호, 그리고 주변광 신호를 분리하는 디먹스,
    상기 제1 원천 PPG 신호와 상기 제2 원천 PPG 신호에서 상기 주변광 신호를 제거하여 제1 중간(intermediate) PPG 신호와 제2 중간 PPG 신호를 출력하는 주변광 신호 제거부, 그리고
    상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호의 차이를 이용해서, 모션 아티팩트가 제거된 타겟 PPG 신호를 출력하는 모션 아티팩트 제거부
    를 포함하는, PPG 측정 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 발광소자는 적색 발광다이오드이고,
    상기 제2 발광소자는 녹색 발광다이오드인, PPG 측정 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 디먹스는
    상기 제1 발광소자 및 상기 제2 발광소자를 구동시키는 클럭들을 이용하여, 상기 디지털 신호에 혼합된 신호들을 분리하는, PPG 측정 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 주변광 신호 제거부는
    상관된 이중 샘플링(Correlated Double Sampling, CDS)을 통해, 상기 제1 원천 PPG 신호와 상기 제2 원천 PPG 신호에 포함된 상기 주변광 신호를 제거하는, PPG 측정 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호의 AC 성분 비율, DC 성분 비율, 그리고 모션 아티팩트 성분 비율은 고정되고, 상기 DC 성분 비율과 상기 모션 아티팩트 성분 비율은 비슷한 값인, PPG 측정 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 모션 아티팩트 제거부는
    상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호를 입력받고, 상기 제2 중간 PPG 신호에 가중치를 적용한 후, 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 가중치가 적용된 제2 중간 PPG 신호의 차이를 상기 타겟 PPG 신호로 출력하는, PPG 측정 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 가중치는
    상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호에 포함된 DC 성분 비율의 역수로 수렴하는, PPG 측정 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 타겟 PPG 신호는
    상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호의 AC 성분에 해당하는 파형을 가지는, PPG 측정 장치.
  9. 제6항에서,
    상기 모션 아티팩트 제거부는
    상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호를 입력받는 최소 평균 제곱(Least Mean Squares, LMS) 필터로 구현되고, 출력 신호에서 아티팩트 성분과 DC 성분이 제거되는 상기 가중치를 찾아서, 상기 제2 중간 PPG 신호에 적용하는, PPG 측정 장치.
  10. PPG(photoplethysmogram) 측정 장치로서,
    제1 발광소자 및 제2 발광소자를 시분할로 구동시키고, 측정 부위에서 수득된 광을 검출해서 디지털 신호로 변환하는 아날로그 프런트-엔드(Analog Front-End) 모듈, 그리고
    상기 디지털 신호에서 상기 제1 발광소자에 관계된 제1 원천 PPG 신호, 상기 제2 발광소자에 관계된 제2 원천 PPG 신호, 그리고 주변광 신호를 분리하고, 상기 제1 원천 PPG 신호와 상기 제2 원천 PPG 신호에서 상기 주변광 신호를 제거하고, 상기 주변광 신호가 제거된 제1 중간(intermediate) PPG 신호와 제2 중간 PPG 신호의 차이를 이용해서, 모션 아티팩트가 제거된 타겟 PPG 신호를 출력하는 디지털 백-엔드(Digital Back-End) 모듈
    을 포함하는, PPG 측정 장치.
  11. 제10항에서,
    상기 아날로그 프런트-엔드 모듈은
    상기 제1 발광소자 및 상기 제2 발광소자를 한 주기의 서로 다른 시간 구간에서 번갈아 구동시키되, 상기 한 주기의 일정 시간 구간에서 상기 제1 발광소자 및 상기 제2 발광소자를 동시에 오프(Off)하는, PPG 측정 장치.
  12. 제10항에서,
    상기 디지털 백-엔드 모듈은
    상관된 이중 샘플링(Correlated Double Sampling, CDS)을 통해, 상기 제1 원천 PPG 신호와 상기 제2 원천 PPG 신호에 포함된 상기 주변광 신호를 제거하는, PPG 측정 장치.
  13. 제10항에서,
    상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호의 AC 성분 비율, DC 성분 비율, 그리고 모션 아티팩트 성분 비율은 고정되고, 상기 DC 성분 비율과 상기 모션 아티팩트 성분 비율은 비슷한 값인, PPG 측정 장치.
  14. 제10항에서,
    상기 디지털 백-엔드 모듈은
    최소 평균 제곱(Least Mean Squares, LMS) 필터로 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호를 입력하고, 상기 LMS 필터로부터 두 입력 신호들의 차이에 해당하는 상기 타겟 PPG 신호를 획득하며,
    상기 LMS 필터는
    상기 제2 중간 PPG 신호에 모션 아티팩트를 제거하기 위한 가중치를 적용한 후, 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 가중치가 적용된 제2 중간 PPG 신호의 차이를 출력하는, PPG 측정 장치.
  15. 제14항에서,
    상기 가중치는
    상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호에 포함된 DC 성분 비율의 역수로 수렴하는, PPG 측정 장치.
  16. 제10항에서,
    상기 타겟 PPG 신호는
    상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호의 AC 성분에 해당하는 파형을 가지는, PPG 측정 장치.
  17. PPG(photoplethysmogram) 측정 방법으로서,
    제1 발광소자 및 제2 발광소자를 시분할로 구동시키는 단계,
    측정 부위에서 수득된 광을 검출해서 디지털 신호로 변환하는 단계,
    상기 디지털 신호에서 상기 제1 발광소자에 관계된 제1 원천 PPG 신호, 상기 제2 발광소자에 관계된 제2 원천 PPG 신호, 그리고 주변광 신호를 분리하는 단계,
    상기 제1 원천 PPG 신호와 상기 제2 원천 PPG 신호에서 상기 주변광 신호를 제거하여 제1 중간(intermediate) PPG 신호와 제2 중간 PPG 신호를 출력하는 단계, 그리고
    상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호의 차이를 이용해서, 모션 아티팩트가 제거된 타겟 PPG 신호를 출력하는 단계
    를 포함하는 PPG 측정 방법.
  18. 제17항에서,
    상기 구동시키는 단계는
    상기 제1 발광소자 및 상기 제2 발광소자를 한 주기의 서로 다른 시간 구간에서 번갈아 구동시키되, 상기 한 주기의 일정 시간 구간에서 상기 제1 발광소자 및 상기 제2 발광소자를 동시에 오프(Off)하는, PPG 측정 방법.
  19. 제17항에서,
    상기 제1 중간 PPG 신호와 제2 중간 PPG 신호를 출력하는 단계는
    상관된 이중 샘플링(Correlated Double Sampling, CDS)을 통해, 상기 제1 원천 PPG 신호와 상기 제2 원천 PPG 신호에 포함된 상기 주변광 신호를 제거하는, PPG 측정 방법.
  20. 제17항에서,
    상기 타겟 PPG 신호를 출력하는 단계는
    상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호를 입력받고, 상기 제2 중간 PPG 신호에 가중치를 적용한 후, 상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 가중치가 적용된 제2 중간 PPG 신호의 차이를 상기 타겟 PPG 신호로 출력하고,
    상기 가중치는
    상기 제1 중간 PPG 신호와 상기 제2 중간 PPG 신호에 포함된 DC 성분 비율의 역수로 수렴하는, PPG 측정 방법.
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