KR20240021000A - Method and Apparatus for measuring HR information based on Vision System - Google Patents
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Abstract
비전 시스템 기반 심박 정보 측정 방법 및 장치에 대해 기술된다. 심박 정보 측정 방법:은 카메라를 이용해 피험자의 안면 영상을 촬영하는 단계; 영상 처리부에 의해 임의의 샘플링 주파수로 상기 안면 영상으로부터 얼굴의 특징점 추적을 통해 얼굴 미동 데이터를 검출하는 단계; 신호 처리부에 의해 상기 얼굴 미동 데이터로부터 RRI(R-peak to R-peak Interval)를 검출하여 심박 (Heart Rate, HR) 데이터를 추출하는 단계; 상기 HR 데이터로부터 HRV 변수를 추출하되, 시간 영역의 SDNN(standard deviation normal to normal)와 rMSSD(root Mean Square of Successive Differences) 중의 적어도 어느 하나, 또는 주파수 영역의 TP(Total Power), lnTP, VLF(Very Low Frequency), lnVLF 중의 적어도 어느 하나의 HRV 변수의 값(XS, XM, XT, XLT, XV, XLV)을 추출하는 단계; SDNN, rMSSD, TP, lnTP, VLF, lnVLF 등의 독립 변수의 값 XS, XM, XT, XLT, XV,XLV로부터 회귀식에 의해 상기 독립 변수 각각에 대한 종속 변수의 목표값 YS, YM, YT, YLT,YV 및 YLV를 계산하는 단계;를 포함한다.A vision system-based heart rate information measurement method and device are described. Method for measuring heart rate information: taking a facial image of a subject using a camera; Detecting facial fine movement data by tracking facial feature points from the facial image at a random sampling frequency by an image processing unit; extracting heart rate (HR) data by detecting RRI (R-peak to R-peak interval) from the facial fine movement data by a signal processor; Extract HRV variables from the HR data, at least one of SDNN (standard deviation normal to normal) and rMSSD (root mean square of successful differences) in the time domain, or TP (Total Power), lnTP, and VLF (in the frequency domain) Very Low Frequency), extracting the value of at least one HRV variable ( X S , Values of independent variables such as SDNN, rMSSD, TP, lnTP , VLF , lnVLF , etc. Target values of dependent variables for each of the above independent variables by regression equation from X S , It includes calculating Y S , Y M , Y T , Y LT , Y V and Y LV .
Description
본 개시는 비전 시스템을 기반으로 심박 정보를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로 상세하게는 모바일 장치와 같이 제한된 리소스(Resource)를 가지는 장치에 적용할 수 있는 심박 정보 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.This disclosure relates to a method and device for measuring heart rate information based on a vision system, and more specifically, to a method and device for measuring heart rate information that can be applied to devices with limited resources such as mobile devices.
심박수(Heart Rate)는 심장 활동을 모니터링하는 중요하고 대표적인 지표이다. 심박은 전통적으로 Electrocardiography (ECG), Photoplethysmography (PPG) 및 Ballistocardiography (BCG)와 같은 피부 접촉 센서에 의해 측정된다. 이 방법들은 표준화되고 정확한 측정 방법이지만, 센서를 부착함에 따른 불편함, 피부 손상 및 측정 부담 때문에 장시간 착용하기는 어렵다. Heart rate is an important and representative indicator for monitoring cardiac activity. Heart rate is traditionally measured by skin-contact sensors such as Electrocardiography (ECG), Photoplethysmography (PPG), and Ballistocardiography (BCG). Although these methods are standardized and accurate measurement methods, they are difficult to wear for long periods of time due to the discomfort caused by attaching the sensor, skin damage, and measurement burden.
비전 기술(Vision Technique), 즉 영상처리 기술의 발전으로 심박은 피부 접촉 없이 얼굴 영상으로부터도 측정이 가능하게 되어 일상 생활에서도 심박을 측정할 수 있게 되었다. With the development of vision technology, that is, image processing technology, heart rate can now be measured from facial images without skin contact, making it possible to measure heart rate in everyday life.
영상 기반 측정 방법의 편리성에 불구하고, 여전히 일상생활에서 적용되기에는 여러 이유에 의해 제한적이다. 영상 기반 측정 방법에서 연구 과제의 주요 쟁점은 신호 대 잡음비 (Signal to Noise Ratio, SNR)를 향상시키고, 조명 변화 (Illumination Variance) 및 동잡음 (Motion Artifacts)의 노이즈를 극복하는 것이다.Despite the convenience of image-based measurement methods, their application in everyday life is still limited for several reasons. In image-based measurement methods, the main research issues are improving the signal to noise ratio (SNR) and overcoming noise from illumination variance and motion artifacts.
기존의 영상 기반 측정 방법들은 공통적으로 1) 미세 움직임 측정 (Micro-Movement Measurement), 2) 특징 추출 (Feature Extraction), 3) 심박수 추론(Heart Rate Estimation)의 세 단계를 포함한다.Existing image-based measurement methods commonly include three steps: 1) Micro-Movement Measurement, 2) Feature Extraction, and 3) Heart Rate Estimation.
조명 변화 및 동잡음에 따른 노이즈의 문제를 해결하기 위해 미세 움직임 측정 단계와 특징 추출 단계에서 노이즈 발생을 최소화하는 방법과 심박수 추론 단계에서 전체 주파수 대역에서 가장 큰 비중을 차지하는 주파수 값으로부터 심박수를 추론하는 방법이 제시되었다. 그러나, 이러한 기존의 방법은 여전히 노이즈 극복에 한계를 보인다.To solve the problem of noise caused by lighting changes and motion noise, a method is used to minimize noise generation in the fine motion measurement stage and feature extraction stage, and in the heart rate inference stage, heart rate is inferred from the frequency value that accounts for the largest proportion of the entire frequency band. A method was presented. However, these existing methods still show limitations in overcoming noise.
또한, 기존의 영상 처리 기술은 영상 처리를 위한 처리속도 및 메모리를 요구한다. 영상 처리 및 데이터 프로세싱에 의해 HRV(heart rate variability) 변수 등을 추출하기 위한 주파수 분석 구간은 0.04Hz ~ 0.4Hz으로 샘플링 주파수는 최소 200Hz 로 설정하고 있다.Additionally, existing image processing technology requires processing speed and memory for image processing. The frequency analysis interval for extracting HRV (heart rate variability) variables through image processing and data processing is 0.04Hz to 0.4Hz, and the sampling frequency is set to at least 200Hz.
이와 같이 샘플링 주파수를 높이는 것은 정확한 신호 복원을 위한 것인데, 분석 시스템의 성능 유지와 리소스의 관리를 위한 적절한 샘플링 주파수의 조정이 필요하다.Increasing the sampling frequency like this is for accurate signal restoration, but it is necessary to adjust the sampling frequency appropriately to maintain the performance of the analysis system and manage resources.
고성능의 컴퓨터 환경에서는 심박 정보로부터 매우 높은 주파수의 샘플링이 가능하나, 휴대폰과 같은 모바일 장치는 신호 처리 속도의 한계 및 데이터 저장소의 용량 한계 등의 하드웨어 리소스가 제한되기 때문에 고성능의 컴퓨터 환경에 비해 샘플링 주파수를 높이는 데에 한계가 있다.In a high-performance computer environment, very high frequency sampling from heart rate information is possible, but since mobile devices such as mobile phones have limited hardware resources such as signal processing speed and data storage capacity limits, the sampling frequency is higher than that in a high-performance computer environment. There is a limit to increasing .
본 개시는 제한된 리소스를 가지는 하드웨어 환경에서 낮은 프레임 레이트의 영상 정보로부터 효과적으로 HR 및 HRV 등의 심박 정보를 추출할 수 있는 영상 기반 심박 정보 추출 방법 및 장치를 제시한다.The present disclosure presents an image-based heart rate information extraction method and device that can effectively extract heart rate information such as HR and HRV from low frame rate image information in a hardware environment with limited resources.
모범적 실시 예에 따른 심박 정보 측정 방법:은Method for measuring heart rate information according to exemplary embodiment:
카메라를 이용해 피험자의 안면 영상을 촬영하는 단계;Taking a facial image of a subject using a camera;
영상 처리부에 의해 임의의 샘플링 주파수로 상기 안면 영상으로부터 얼굴의 특징점 추적을 통해 얼굴 미동 데이터를 검출하는 단계;Detecting facial fine movement data by tracking facial feature points from the facial image at a random sampling frequency by an image processing unit;
신호 처리부에 의해 상기 얼굴 미동 데이터로부터 RRI(R-peak to R-peak Interval)를 검출하여 심박 (Heart Rate, HR) 데이터를 추출하는 단계;extracting heart rate (HR) data by detecting RRI (R-peak to R-peak interval) from the facial fine movement data by a signal processor;
상기 HR 데이터로부터 HRV 변수를 추출하되, 시간영역의 SDNN(standard deviation normal to normal)와 rMSSD(root Mean Square of Successive Differences), 그리고 주파수 영역의 TP(Total Power), lnTP , VLF(Very Low Frequency) 중의 적어도 어느 하나의 HRV 변수의 값(XS, XM, XT, XLT, XV)을 추출하는 단계;HRV variables are extracted from the HR data, including SDNN (standard deviation normal to normal) and rMSSD (root Mean Square of Successive Differences) in the time domain, and TP (Total Power), lnTP, and VLF (Very Low Frequency) in the frequency domain. extracting the value of at least one HRV variable (X S , X M , X T , X LT , X V );
상기 SDNN, rMSSD, TP, lnTP, VLF 등의 독립 변수의 값 XS, XM, XT, XLT, XV로부터 아래의 회귀식들에 의해 상기 독립 변수 각각에 대한 종속 변수의 목표값 YS, YM, YT, YLT 및 YV 를계산하는 단계;를 포함한다.From the values of independent variables such as SDNN , rMSSD, TP , lnTP , and VLF , It includes calculating S , Y M , Y T , Y LT and Y V.
<회귀식><Regression formula>
SDDN의 목표값 (YS ) = 1.802 * XS ±0.141Target value of SDDN (Y S ) = 1.802 * X S ±0.141
rMSSD의 목표값 (YM) = 6.173 * XM ±0.741Target value of rMSSD (Y M ) = 6.173 * X M ±0.741
TP의 목표값 (YT) = 2.981 * XT ± 0.346Target value of TP (Y T ) = 2.981 * X T ± 0.346
lnTP 의 목표값(YLT) =1.131 XLT ± 0.078Target value of lnTP (Y LT ) =1.131
VLF의 목표값(Yv) =1.019 * XV ±0.139Target value of VLF (Yv) =1.019 *
본 개시의 다른 실시 예에 따르면,According to another embodiment of the present disclosure,
상기 독립변수에는 lnVLF 가 포함되며, lnVLF 의 값(XLV)으로부터 아래의 회귀식에 의해 lnVLF 의 목표값(YLV)를 계산될 수 있다.The independent variable includes lnVLF, and the target value (Y LV ) of lnVLF can be calculated from the value of lnVLF (X LV ) by the regression equation below.
YLV=0.888 * XLV±0.127Y LV =0.888 * X LV ±0.127
본 개시의 구체적인 실시 예에 따르면 상기 방법:은 According to a specific embodiment of the present disclosure, the method:
피험자로부터 PPG 데이터를 검출하여 이로부터 HR 기준 데이터를 추출하는 단계;Detecting PPG data from a subject and extracting HR reference data from it;
상기 HR 기준 데이터로부터 주파수별 상대 파워 밀도(Relative Power Density, RPD) 데이터를 기준 RPD로 추출하는 단계;Extracting frequency-specific relative power density (RPD) data from the HR reference data as a reference RPD;
상기 HR 기준 데이터를 다수의 클러스터로 클러스터링 하는 단계; 그리고Clustering the HR reference data into multiple clusters; and
상기 다수 클러스터를 이용하여, 상기 HR 기준 데이터에 대응하는 기준 RPD에 의해 심박수를 추론하는 심박수 결정 룰-베이스를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method may further include using the plurality of clusters to form a heart rate determination rule base for inferring the heart rate based on a reference RPD corresponding to the HR reference data.
모범적 실시 예에 따른 심박수 측정 방법:은 상기 미세 움직임 데이터로부터 높은 주기성을 보이는 성분을 최종 사용을 위한 미세 움직임 데이터로 추출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The heart rate measurement method according to the exemplary embodiment may further include extracting a component showing high periodicity from the fine motion data as fine motion data for final use.
모범적 실시 예에 따른 심박수 측정 방법은 상기 RPD는 아래의 식에 의해 계산될 수 있다.In the heart rate measurement method according to the exemplary embodiment, the RPD can be calculated using the equation below.
위에서,From above,
PS s : 시계열 신호 s 에 대한 주파수 대역의 파워 스펙트럼 PS s : Power spectrum in frequency band for time series signal s
P total : 전체 파워 스펙트럼의 합 P total : sum of the entire power spectrum
모범적 실시 예에 따른 심박수 측정 방법:은 상기 RPD에 상기 HR 기준 데이터를 라벨(Label)로 부여하여 데이터 셋을 구성하고, 상기 데이터 셋에 대해 클러스터링을 수행하고, 그리고 각 클러스터의 라벨(Label) 분포의 첨도 값(Kurtosis)이 정규분포 이상이면 룰-베이스로 등록할 수 있다.Heart rate measurement method according to an exemplary embodiment: configure a data set by assigning the HR reference data to the RPD as a label, perform clustering on the data set, and distribute the labels of each cluster If the kurtosis value of is greater than or equal to the normal distribution, it can be registered as a rule-base.
모범적 실시 예에 따른 심박수 측정 방법:은 상기 미세 움직임 데이터를 주파수 분석을 통해 주파수 계열의 데이터로 변환하고, 소정 범위의 주파수 대역에서 상기 파워 스펙트럼을 추출하고, 그리고 상기 파워 스펙트럼에 대해 각 주파수의 파워 값을 전체 파워 스펙트럼의 합으로 나눠 정규화하여 상기 RPD를 계산할 수 있다.Heart rate measurement method according to an exemplary embodiment: converts the fine movement data into frequency series data through frequency analysis, extracts the power spectrum in a predetermined range of frequency bands, and extracts the power of each frequency for the power spectrum. The RPD can be calculated by normalizing the value by dividing it by the sum of the entire power spectrum.
모범적 실시 예에 따른 심박수 측정 방법:은 측정 대상 피험자로부터 미세 움직임 데이터를 추출하는 단계; 상기 미세 움직임 데이터로부터 소정 주파수 대역에서의 상대 파워 밀도(RPD) 데이터를 비교 RPD로서 추출하는 단계; 상기 기준 RPD에 대한 비교 RPD의 거리의 계산에 의해 유사도를 얻는 단계; 그리고 상기 유사도를 이용하여 상기 측정 대상 피험자의 HR를 추론하는 단계;를 더 포함할 수 있다.A method for measuring heart rate according to an exemplary embodiment: extracting fine movement data from a subject to be measured; extracting relative power density (RPD) data in a predetermined frequency band from the fine motion data as a comparison RPD; Obtaining similarity by calculating the distance of the comparison RPD to the reference RPD; The method may further include inferring the HR of the subject to be measured using the similarity.
모범적 실시 예에 따른 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 장치:는 측정 대상 피험자로부터 얼굴 영상을 획득하는 카메라, 상기 얼굴 영상을 처리하여 하여 미세 움직임 데이터를 추출하는 영상 처리부; 상기 미세 움직임 데이터로부터 RPD를 추출하여 상기 룰-베이스에 의해 상기 피험자의 HR을 결정하는 프로세스 장치;를 포함할 수 있다.A vision system-based heart rate information measuring device according to an exemplary embodiment: a camera that acquires a face image from a subject to be measured, an image processor that processes the face image to extract fine movement data; It may include a process device that extracts RPD from the fine movement data and determines the HR of the subject based on the rule base.
모범적 실시 예에 따른 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 장치에서, 상기 프로세스 장치:는 얼굴 미동 데이터로부터 소정 주파수 대역에서의 상대 파워 밀도(RPD) 데이터를 비교 RPD로서 추출하고, 상기 기준 RPD에 대한 비교 RPD의 거리의 계산에 의해 유사도를 얻고, 그리고 상기 유사도를 이용하여 상기 측정 대상 피험자의 HR를 추론할 수 있다.In the vision system-based heart rate information measuring device according to the exemplary embodiment, the process device: extracts relative power density (RPD) data in a predetermined frequency band from facial fine movement data as a comparison RPD, and determines the comparison RPD for the reference RPD. Similarity can be obtained by calculating the distance, and the HR of the subject to be measured can be inferred using the similarity.
모범적 실시 예에 따른 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 장치는 상기 피험자로부터 심전도를 측정하는 ECG 센서 또는 PPG를 측정하는 PPG 센서를 더 구비할 수 있다.The vision system-based heart rate information measuring device according to the exemplary embodiment may further include an ECG sensor for measuring an electrocardiogram from the subject or a PPG sensor for measuring PPG.
도1은 모범적 실시 예에 따른 심박수 측정 과정을 나타내 보인다.
도2는 얼굴 영상으로부터 미세 움직임을 측정하기 위한 과정인 제1단계의 미세 움직임 측정 (Micro-Movement Measurement) 단계의 흐름도이다.
도3은 도2의 단계적 과정의 적용 예를 도시한다.
도4는 미세 움직임으로부터 특징을 추출하기 위한 과정인 제2단계의 특징 추출 (Feature Extraction) 단계의 흐름도이다.
도5는 도4의 단계적 과정의 적용 예를 도시한다.
도6은 특징으로부터 심박수를 추론하기 위한 과정인 제3단계의 심박수 추론 (Heart Rate Estimation) 단계의 흐름도이다.
도7은 룰-베이스 학습에 사용되는 데이터 셋을 구성하기 위해 PPG로부터 라벨 (Label)을 추출하는 과정의 흐름도이다.
도8은 도7의 단계적 과정의 적용 예를 도시한다.
도9는 모범적 실시 예에 따라 구성된 데이터 셋의 구조를 예시한다.
도10은 모범적 실시 예에 따라 데이터 셋으로부터 룰-베이스를 학습하는 과정의 흐름도이다.
도11은 도10의 단계적 과정의 적용 예를 도시한다.
도12는 모범적 실시 예에 따라 학습된 룰-베이스의 구조를 예시한다.
도13은 모범적 실시 예에 따라 학습된 룰-베이스를 이용해 심박수를 추론하기 위한 과정의 적용 예를 도시한다.
도14는 원형 ECG 데이터(ECG 500/w)와 이를 슬라이딩 윈도우에 의해 50 및 10 프레임/초로 다운 샘플링한 HRV 변수에 대한 회귀 분석결과를 보인다.
도15 내지 27은 상기 회귀분석에 사용된 HRV 변수들의 원형(raw) 데이터 챠트이다.Figure 1 shows a heart rate measurement process according to an exemplary embodiment.
Figure 2 is a flowchart of the first stage, Micro-Movement Measurement, which is a process for measuring micro-movements from a face image.
Figure 3 shows an application example of the step-by-step process of Figure 2.
Figure 4 is a flowchart of the second feature extraction step, which is a process for extracting features from fine movements.
Figure 5 shows an application example of the step-by-step process of Figure 4.
Figure 6 is a flowchart of the third heart rate estimation (Heart Rate Estimation) step, which is a process for inferring heart rate from features.
Figure 7 is a flowchart of the process of extracting labels from PPG to construct a data set used for rule-base learning.
Figure 8 shows an application example of the step-by-step process of Figure 7.
Figure 9 illustrates the structure of a data set constructed according to an exemplary embodiment.
Figure 10 is a flowchart of the process of learning a rule-base from a data set according to an exemplary embodiment.
Figure 11 shows an application example of the step-by-step process of Figure 10.
Figure 12 illustrates the structure of a rule-base learned according to an exemplary embodiment.
Figure 13 shows an application example of a process for inferring heart rate using a rule-base learned according to an exemplary embodiment.
Figure 14 shows regression analysis results for HRV variables of raw ECG data (ECG 500/w) and down-sampling it to 50 and 10 frames/sec by sliding window.
Figures 15 to 27 are raw data charts of HRV variables used in the regression analysis.
이하, 첨부된 도면을 참고하면서 모범적 실시 예에 따른 영상 기반 HRV 측정 방법 및 시스템을 상세히 설명한다.Hereinafter, an image-based HRV measurement method and system according to exemplary embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings.
모범적인 실시 예에 따른 영상 기반 심박수 측정 방법은 PC 또는 핸드폰 등의 모바일 장치를 기반으로 하는 심박수 측정 장치에서 실행될 수 있으며, 이하에서는 PC 를 중심으로 그 적용 구조 및 방법이 설명된다.The image-based heart rate measurement method according to the exemplary embodiment can be executed on a heart rate measurement device based on a mobile device such as a PC or a mobile phone, and the application structure and method will be described below with a focus on the PC.
심박수 정보 측정 장치는 피험자의 얼굴을 촬영하는 카메라, 피험자의 심전도를 측정하는 ECG 센서 또는 PPG를 측정하는 PPG 센서, 그리고 상기 카메라와 PPG 센서로부터의 신호를 처리하는 영상 처리부, 신호 처리부 등을 구비한다.The heart rate information measuring device includes a camera that photographs the subject's face, an ECG sensor that measures the subject's electrocardiogram or a PPG sensor that measures PPG, and an image processor and a signal processor that process signals from the camera and the PPG sensor. .
모범적인 실시 예는 카메라를 이용해 획득한 영상을 기반으로 심박수를 추론하고 시간 영역 및 주파수 영역의 HRV 변수를 추출한다.An exemplary embodiment infers heart rate based on images acquired using a camera and extracts HRV variables in the time domain and frequency domain.
심박수를 측정하기 위한 신호처리 과정은 도1에 도시된 바와 같이, 제1단계로서 미세 움직임 측정 (Micro-Movement Measurement) 단계, 제2단계로서 특징 추출 (Feature Extraction), 제3단계로서 심박수 추론 (Heart Rate Estimation) 단계, 제4단계로서 시간 영역(시계열) 및 주파수 영역의 HRV 변수 추출, 그리고 제5단계로서 검출된 시계열 변수 값 및 주파수 계열의 변수 값에 대한 보정 단계;를 포함한다. 이하에서 각 단계별 데이터 처리 과정을 설명한다.As shown in Figure 1, the signal processing process for measuring heart rate includes Micro-Movement Measurement as the first step, Feature Extraction as the second step, and Heart Rate Inference as the third step ( Heart Rate Estimation) step, the fourth step is extraction of HRV variables in the time domain (time series) and frequency domain, and the fifth step is a correction step for the detected time series variable values and frequency series variable values. Below, the data processing process at each stage is explained.
도2는 얼굴 영상으로부터 심장 반응에 의한 성분이 포함된 미세 움직임 (Micro-Movement)을 추출하기 위한 과정인 제1단계의 미세 움직임 측정 (Micro-Movement Measurement) 단계의 흐름도이며, 도3은 도2의 단계적 과정의 적용 예를 도시한다.Figure 2 is a flowchart of the first stage Micro-Movement Measurement, which is a process for extracting micro-movements containing components caused by cardiac responses from facial images, and Figure 3 is a flowchart of Figure 2. An example of application of the step-by-step process is shown.
1) 얼굴 영상(Facial Video) 획득: 동영상 카메라를 이용하여 약 30fps로 피험자의 얼굴을 포함하는 상체(上體) 또는 두부(頭部)를 촬영한다.1) Facial video acquisition: The upper body or head, including the subject's face, is filmed at approximately 30fps using a video camera.
2) 얼굴 검출(Face Detection): 두부 영상 또는 얼굴 영상으로부터 얼굴 영역을 검출한다. 예를 들어 얼굴 부위마다 나타나는 명암의 특징을 이용하는 바이올라-존스(Viola-Jones) 알고리즘을 이용해 얼굴 영역을 검출할 수 있다.2) Face Detection: Detects the face area from a head image or face image. For example, the face area can be detected using the Viola-Jones algorithm, which uses the light and dark characteristics that appear in each part of the face.
3) 영역 선택(Area Selection): 검출된 얼굴 영역으로부터 얼굴 표정에 의한 노이즈를 최소화하는 이마와 코 영역을 선택한다.3) Area Selection: Select the forehead and nose areas that minimize noise caused by facial expressions from the detected face area.
4) 얼굴 특징점 검출(Facial Feature Point Detection): 선택된 영역으로부터 다른 포인트와 대비해 추적하기 좋은 포인트를 검출한다. 본 실시 예의 실험에서는 GFTT(Good Feature to Track) 알고리즘(1994)을 이용해 특징점을 검출하였다. 4) Facial Feature Point Detection: Detects points that are good for tracking compared to other points from the selected area. In the experiment of this embodiment, feature points were detected using the GFTT (Good Feature to Track) algorithm (1994).
5) 얼굴 특징점 추적(Facial Feature Point Tracking): 검출된 각 특징점의 움직임을 추적한다. 이러한 특징 추적에는 KLT(Kanade-Lucas-Tomasi) 특징 추적 알고리즘이 적용될 수 있다. 5) Facial Feature Point Tracking: Tracks the movement of each detected feature point. The KLT (Kanade-Lucas-Tomasi) feature tracking algorithm can be applied to such feature tracking.
6) 미세 움직임 측정(Micro-Movement Measurement): 이전 프레임 대비 현재 프레임에서 추적된 각 특징점의 이미지 X-Y 평면에서의 움직임 즉, x 좌표 또는 y좌표의 움직인 거리(값)을 추적하여 미세 움직임 데이터(Micro-Movement Data, 이하 MMD)를 추출한다. 여기에는 슬라이딩 윈도우 기법이 적용될 수 있으며, 이 경우 윈도우 사이즈(Window Size)는 30초, 인터벌 사이즈(Interval Size)는 1초로 설정할 수 있다. 상기 특징 추적에 사용될 수 있는 KLT 알고리즘은 얼굴 특징점 검출(Facial Feature Point Detection)에서 검출된 특징점의 개수만큼의 미세 움직임 데이터(MMD)를 측정할 수 있다.6) Micro-Movement Measurement: Track the movement in the image X-Y plane of each feature point tracked in the current frame compared to the previous frame, that is, the moving distance (value) of the Extract Micro-Movement Data (MMD). The sliding window technique can be applied here, in which case the Window Size can be set to 30 seconds and the Interval Size can be set to 1 second. The KLT algorithm that can be used for feature tracking can measure fine motion data (MMD) equal to the number of feature points detected in facial feature point detection.
상기와 같이 얻어진 미세 움직임 데이터는, 도4에 도시된 바와 같은 특징 추출(Feature Extraction) 과정을 거친다.The fine motion data obtained as above goes through a feature extraction process as shown in FIG. 4.
특징 추출 과정에서는 심장 반응에 의한 성분을 추출하게 된다. 이 과정에서는 추출된 미세 움직임 데이터에 대해 심장 반응에 의한 특징만을 추출하기 위한 과정이다. 도4는 특징 추출(Feature Extraction) 단계의 흐름도이며, 도5는 도4의 단계적 과정의 적용 예를 도시한다.In the feature extraction process, components based on cardiac response are extracted. In this process, only the features based on cardiac response are extracted from the extracted micro-motion data. Figure 4 is a flowchart of the feature extraction step, and Figure 5 shows an application example of the step-by-step process of Figure 4.
1) 대역 필터링(Bandpass Filtering): 각 미세 움직임 데이터에 대해 버터워스(Butterworth) 밴드패스 필터(Bandpass Filter, 5 Order, 0.75-5Hz)를 이용해 심박 대역에 해당하는 주파수 대역만을 추출한다. 1) Bandpass Filtering: For each fine movement data, only the frequency band corresponding to the heart rate band is extracted using a Butterworth bandpass filter (5 Order, 0.75-5Hz).
2) 주성분 분석(Principal Component Analysis): 각 특징점에서 추출된 미세 움직임 데이터로부터 동일한 성분을 가진 하나의 미세 움직임 데이터를 추출하기 위한 과정으로, 주성분 분석을 통해 5개의 성분(Component)을 추출한다. 각 성분(Component)에 대해 생체 신호는 주기성(Periodicity)을 띈다는 특징을 이용해 가장 높은 주기성(Most Periodicity)을 보이는 성분(Component)을 최종 심박에 관련한 미세 움직임 데이터(MMD) 추출한다. 주기성(Periodicity, PDs)은 다음과 같은 과정을 통해 계산된다.2) Principal Component Analysis: A process for extracting one fine motion data with the same component from the fine motion data extracted from each feature point. Five components are extracted through principal component analysis. Using the characteristic that biological signals have periodicity for each component, the component showing the highest periodicity is extracted as fine movement data (MMD) related to the final heart rate. Periodicity ( PDs ) is calculated through the following process.
위 식에서, s 는 시계열 신호, FFT 는 시계열 신호(s)로서 미세 움직임 데이터(MMD)를 주파수 대역으로 변환하기 위한 푸리에 분석 방법, PS s 는 시계열 신호 s에 대한 주파수 대역의 파워 스펙트럼을 의미한다.In the above equation, s is a time series signal, FFT is a time series signal ( s ), a Fourier analysis method for converting micromotion data (MMD) into a frequency band, and PS s is the power spectrum of the frequency band for the time series signal s .
위 식에서 P max 는 시계열 신호 s에 대한 해당 주파수 대역의 파워 스펙트럼에서 가장 큰 파워 값을 의미한다.In the above equation, P max means the largest power value in the power spectrum of the corresponding frequency band for the time series signal s .
위 식에서 P total 은 시계열 신호 s 에 대한 해당 주파수 대역의 전체 파워 스펙트럼의 합을 의미한다.In the above equation, P total means the sum of the entire power spectrum of the corresponding frequency band for the time series signal s.
위 식에, PD s 는 시계열 신호 s 에 대한 주기성(Periodicity)을 나타낸다.In the above equation, PD s represents the periodicity of the time series signal s.
위와 같은 미세 움직임 데이터(MMD)에 대해 FFT 분석을 통해 0.75~2.5 Hz 대역의 RRI 데이터의 추출이 가능하게 된다. It is possible to extract RRI data in the 0.75 to 2.5 Hz band through FFT analysis of the above fine motion data (MMD).
상기 RRI 데이터를 이용하여서는 SDNN(standard deviation normal to normal), rMSSD(Root Mean Square of Successive Differences)등의 시간 영역의 변수가 계산되고, 그리고 RRI를 2Hz로 샘플링하여 FFT(fast fourier transform) 분석을 통해 주파수 영역의 변수를 추출하기 위한 HRV(heart rate variability) 스펙트럼, 즉 심박 대역에 해당하는 파워 스펙트럼이 추출된다.Using the RRI data, time domain variables such as SDNN (standard deviation normal to normal) and rMSSD (Root Mean Square of Successive Differences) are calculated, and the RRI is sampled at 2Hz and analyzed through FFT (fast fourier transform). To extract variables in the frequency domain, the HRV (heart rate variability) spectrum, that is, the power spectrum corresponding to the heart rate band, is extracted.
주파수 영역의 HRV 스펙트럼은 VLF (very low frequency, 0.0033-0.04 Hz), LF(low frequency, 0.04-0.15 Hz)와 HF(high frequency, 0.15-0.4 Hz) 대역의 파워를 각각 추출되고, 이들로부터 주파수 영역 변수인 VLF/HF와 LF/HF, lnVLF, lnLF, lnHF, TP(total power), lnTP 등이 계산될 수 있다. The HRV spectrum in the frequency domain extracts the power of VLF (very low frequency, 0.0033-0.04 Hz), LF (low frequency, 0.04-0.15 Hz), and HF (high frequency, 0.15-0.4 Hz) bands, respectively, and the frequencies are calculated from these. Domain variables VLF/HF, LF/HF, lnVLF, lnLF, lnHF, TP (total power), lnTP, etc. can be calculated.
본 실시 예에서, 상기 HR 데이터로부터 HRV 변수를 추출하되, 시간영역의 SDNN(standard deviation normal to normal)와 rMSSD(root Mean Square of Successive Differences) 중의 적어도 어느 하나, 또는 주파수 영역의 TP(Total Power), lnTP, VLF 중의 적어도 어느 하나의 HRV 변수의 값(XS, XM, XT, XLT, XV) 을 추출하고, 상기 SDNN, rMSSD, TP, lnTP, VLF 등의 독립 변수의 값 XS, XM, XT, XLT, XV로부터 아래의 회귀식들에 의해 상기 독립 변수 각각에 대한 종속 변수의 목표값 YS, YM, YT, YLT, YV 를 계산한다.In this embodiment, HRV variables are extracted from the HR data, at least one of SDNN (standard deviation normal to normal) and rMSSD (root mean square of successful differences) in the time domain, or TP (Total Power) in the frequency domain. , lnTP, and VLF , extract the value of at least one HRV variable ( X S , From S , X M , _ _ _ _
SDDN의 목표값 (YS ) = 1.802 * XS ±0.141Target value of SDDN (Y S ) = 1.802 * X S ±0.141
rMSSD의 목표값 (YM) = 6.173 * XM ±0.741Target value of rMSSD (Y M ) = 6.173 * X M ±0.741
TP의 목표값 (YT) = 2.981 * XT ± 0.346Target value of TP (Y T ) = 2.981 * X T ± 0.346
lnTP 의 목표값(YLT) = 1.131* XLT ± 0.078Target value of lnTP ( Y LT) = 1.131*
VLF의 목표값(Yv) = 1.019 * XV ±0.139Target value of VLF (Yv) = 1.019 *
상기 회귀식은 PPG 신호로부터 얻은 기준 신호를 다단계의 다운 샘플링 하여 이에 대한 회귀분석을 통해 얻은 것이다.The above regression equation was obtained through multi-stage down sampling of the reference signal obtained from the PPG signal and regression analysis thereof.
도14는 원형 ECG 데이터(ECG 500/w)와 이에 대한 50 및 10프레임/초로 다운샘플링한 데이터의 슬라이딩 윈도우를 통한 분석을 적용한 HRV 변수에 대한 회귀분석 결과를 보이며, 도15내지 27은 상기 회귀분석에 사용된 HRV 변수들의 원형(raw) 데이터 챠트이다.Figure 14 shows the results of regression analysis of HRV variables applying analysis through a sliding window of raw ECG data (ECG 500/w) and data downsampled at 50 and 10 frames/sec, and Figures 15 to 27 show the regression results This is a raw data chart of the HRV variables used in the analysis.
도14에 도시된 바와 같이, 회귀분석 결과, 분석된 다수의 HRV 변수 중, SDNN, rMSSD, VLF, lnVLF, TP, lnTP 가 다운 샘플링에도 불구하고 유의미하고 유효한 결과를 보였다. 회귀식에 부가되는 허용오차는 표준오차에 따르는 것이다.As shown in Figure 14, as a result of the regression analysis, among the many HRV variables analyzed, SDNN, rMSSD, VLF, lnVLF, TP, and lnTP showed significant and valid results despite down-sampling. The tolerance added to the regression equation follows the standard error.
상기와 같은 방법에 의해 안면 미동 데이터로부터 HRV 변수를 추출하고 위와 같은 회귀식에 의해 각 HRV 변수값을 보정함으로써 HRV 변수들의 최종 값을 얻을 수 있게 된다.By extracting HRV variables from facial fine movement data using the method described above and correcting each HRV variable value using the above regression equation, the final values of the HRV variables can be obtained.
이러한 실시 예 따르면, 낮은 프레임 레이트의 안면 움직임 영상에 의해서도유효한 HRV 변수 값을 추출할 수 있게 된다.According to this embodiment, it is possible to extract valid HRV variable values even from facial movement images of low frame rates.
다음은 본 개시에 따라, RRI 를 머신 러닝 기법에서 추출하고, 그리고 여기에서 얻은 RRI로부터 HRV를 추출하는 과정을 설명한다.The following describes the process of extracting RRI from a machine learning technique and extracting HRV from the RRI obtained here, according to the present disclosure.
3) 파워 밀도 추출(Relative Power Density Extraction): 시계열 신호인 미세 움직임 데이터를 전술한 바와 같은 FFT 분석에 의해 주파수 계열의 데이터로 변환하고, 주파수 계열의 데이터에서 심박 대역에 해당하는 0.75~2.5 Hz 주파수 대역의 파워 스펙트럼을 추출한다.3) Relative Power Density Extraction: The fine movement data, which is a time series signal, is converted into frequency series data by FFT analysis as described above, and the 0.75 to 2.5 Hz frequency corresponding to the heart rate band is extracted from the frequency series data. Extract the power spectrum of the band.
추출된 파워 스펙트럼에 대해 각 파워 값을 전체 파워 스펙트럼의 합으로 나눠 정규화하여 RPD(Relative Power Density)를 심박수 추론을 위한 특징(Feature)으로서 추출한다. For the extracted power spectrum, each power value is normalized by dividing it by the sum of the entire power spectrum, and RPD (Relative Power Density) is extracted as a feature for heart rate inference.
아래의 식은 시계열 신호 S 에 대한 RPD를 구하는 식이다.The equation below calculates the RPD for the time series signal S.
위 식에서 PS s 는 시계열 신호 s 에 대한 주파수 대역의 파워 스펙트럼, P total 은 파워 스펙트럼의 합을 의미한다.In the above equation, PS s refers to the power spectrum of the frequency band for the time series signal s , and P total refers to the sum of the power spectra.
심박수 추론(Heart Rate Estimation) 단계는 추출된 최종 특징으로부터 심박수를 추론하기 위한 과정을 설명한다. 도6은 심박수 추론(Heart Rate Estimation 단계의 흐름도이다. The Heart Rate Estimation step describes the process for inferring the heart rate from the final extracted features. Figure 6 is a flow chart of the Heart Rate Estimation step.
1) 룰-베이스 학습(Rule-Base Training): 심박수 추론을 위한 룰-베이스(Rule-Base)를 학습하기 위한 과정으로, 미세 움직임 신호로부터 추출된 RPD와 그에 대응하는 PPG 신호(PPG 센서로 실측)가 이용된다. 룰-베이스를 구축하기 위한 RPD와 PPG 신호는 다양한 피험자와 다양한 환경 하에서 측정된다.1) Rule-Base Training: A process for learning the Rule-Base for heart rate inference. RPD extracted from fine movement signals and the corresponding PPG signal (actually measured with PPG sensor) ) is used. RPD and PPG signals to build the rule-base are measured with various subjects and under various environments.
도7과, 도8을 참조하면, PPG 신호는 버터워스(Butterworth) 밴드패스 필터(Bandpass Filter, 2 Order, 0.75-2.5Hz)를 이용해 필터링하고, 이로부터 피크 검출(Peak Detection)을 이용하여 PPI(Peak-to-Peak Interval)을 계산하고, HR(심박수)를 추론한다. 이로부터 추출된 HR을 라벨(Label)로 부여하여, 그에 대응하는 RPD를 특징(Feature)으로서 데이터 셋(Data Set)을 구성한다. 도9는 상기 과정에서 구성된 데이터 셋의 구조를 예시한다.Referring to Figures 7 and 8, the PPG signal is filtered using a Butterworth bandpass filter (2 Order, 0.75-2.5Hz), and PPI is obtained using peak detection from this. Calculate (Peak-to-Peak Interval) and infer HR (heart rate). The HR extracted from this is assigned a label, and the corresponding RPD is used as a feature to form a data set. Figure 9 illustrates the structure of the data set constructed in the above process.
도10과 도11을 참조하면, 구성된 데이터 셋에 대해 클러스터링(Clustering)을 수행하고, 각 클러스터의 라벨(Label) 분포의 첨도 값(Kurtosis)이 정규분포(Gaussian) 이상이면 룰-베이스로 등록한다. Referring to Figures 10 and 11, clustering is performed on the constructed data set, and if the kurtosis value of the label distribution of each cluster is greater than the normal distribution (Gaussian), it is registered as a rule base. .
이러한 클러스터링에는 각 클러스터의 중심점(Centroid 값)의 추출과 중심 값에 대한 RPD의 거리 계산을 통해 소속 클러스터를 결정하게 된다. 상기 클러스터링은 Fuzzy C-Means 알고리즘을 이용할 수 있다. In this clustering, cluster membership is determined by extracting the center point (Centroid value) of each cluster and calculating the distance of the RPD to the centroid value. The clustering can use the Fuzzy C-Means algorithm.
클러스터링은 데이터들을 몇 개의 클러스터로 묶을 지에 대한 파라미터인 K값을 설정하는 것이 중요하다. 여기서는 적합한 K값을 알 수 없으므로 K를 3부터 하나씩 증가시키면서 수행한다. 룰 베이스는 최소 50~130 bpm을 추론할 수 있어야 하므로 K가 80이 넘을 때까지 클러스터링을 수행한다. 최종적으로 클러스터링이 종료된 후에 각 라벨(Label) 별로 가장 높은 첨도 값(Kurtosis)을 가지는 클러스터를 최종 룰-베이스로 정의한다.In clustering, it is important to set the K value, which is a parameter that determines how many clusters the data will be grouped into. Here, since the appropriate K value is unknown, K is performed by increasing it one by one starting from 3. Since the rule base must be able to infer at least 50 to 130 bpm, clustering is performed until K exceeds 80. Finally, after clustering is completed, the cluster with the highest kurtosis value for each label is defined as the final rule base.
이렇게 획득된 룰-베이스는, 도12에 도시된 바와 같이 심박의 주파수(Frequency Range)와 BPM 범위(BPM Range)로 이루어지는 2차원 평면상에 제3방향으로 크기가 다른 상대 파워 밀도(RPD)가 분포하는 구조를 가진다.The rule-base obtained in this way has a relative power density (RPD) of different sizes in the third direction on a two-dimensional plane consisting of the heart rate frequency (Frequency Range) and the BPM range (BPM Range), as shown in Figure 12. It has a distributed structure.
2) 심박수 추론(Heart Rate Estimation): 도13은 트레이닝 과정을 나타내면 도12은 학습된 룰-베이스를 이용해 심박수를 결정 또는 추론하기 위한 과정을 도시한다. 학습된 룰 베이스를 이용해 심박수를 결정 또는 추론하기 위하여 추출된 RPD와 상기 룰 베이스를 비교하여 가장 유사한 패턴을 보이는 룰베이스의 라벨(Label) 값을 최종 심박수로 결정한다. 상기 심박수 결정을 위한 유사도(Similarity)로써 사용될 수 있는 유클리디안 거리(Euclidian Distance)는 다음과 같이 계산된다.2) Heart Rate Estimation: Figure 13 shows the training process and Figure 12 shows the process for determining or inferring the heart rate using the learned rule base. In order to determine or infer heart rate using the learned rule base, the extracted RPD is compared with the rule base, and the label value of the rule base showing the most similar pattern is determined as the final heart rate. The Euclidian Distance, which can be used as similarity for determining the heart rate, is calculated as follows.
위 식에서 RPD real 은 실시간 입력되는 RPD, RPD rule 은 룰 베이스의 RPD를 의미한다. 위 식에 따르면, 유사도(DS)는 실시간으로 입력되는 RPD와 룰 베이스의 RPD 간의 거리로부터 얻어진다.In the above equation, RPD real is RPD input in real time, RPD rule means rule-based RPD. According to the above equation, similarity (DS) is obtained from the distance between the RPD input in real time and the rule-based RPD.
상기와 같이 룰베이스에 의해 얻어지는 한 입력 당 하나의 RRI 값이면, 이 RRI 가 전체 입력 데이터를 통해 누적됨으로써 시계열의 RRI 데이터가 얻어진다.If there is one RRI value per input obtained by the rule base as above, time series RRI data is obtained by accumulating this RRI through all input data.
이 과정에서 얻어진 RRI 데이터로부터 시계열의 SDDN, 주파수 분석되고, 이를 통해서 전술한 바와 같은 다양한 HRV 변수들이 출력된다. 출력된 HRV 에 대해서는 전술한 회귀식에 의해 각 변수들의 출력 목표값이 정해짐으로 최종의 HRV 변수가 얻어진다.From the RRI data obtained in this process, time series SDDN and frequency are analyzed, and various HRV variables as described above are output through this. For the output HRV, the output target value of each variable is determined according to the above-described regression equation, and the final HRV variable is obtained.
이러한 본 발명은 비전 시스템을 이용하여 심박수 추론(Heart Rate Estimation)및 HRV를 추출함에 있어서, 단순히 미세 움직임 데이터의 주파수 대역에서 우세한 주파수 만으로부터 심박수를 추론하는 것이 아니라, 머신러닝 방법을 이용해 주파수 대역의 패턴을 기반으로 심박수를 추론하는 것이다. 머신 러닝 방법으로서 데이터들을 클러스터링하여 패턴을 추출하는 방법을 사용하여 노이즈 영향을 배제한 심박수 추론을 위한 룰-베이스를 구축할 수 있게 된다. 이러한 본 발명은 최근 연구되고 있는 신경망 모델과 비교하여 계산 비용이 적으며 공통된 패턴을 찾기에 용이하기 때문에 보다 실용적이다. In extracting heart rate estimation and HRV using a vision system, the present invention does not simply infer the heart rate from the dominant frequency in the frequency band of fine movement data, but uses a machine learning method to estimate the heart rate in the frequency band. It infers heart rate based on patterns. As a machine learning method, it is possible to build a rule-base for heart rate inference that excludes the influence of noise by using a method of extracting patterns by clustering data. This invention is more practical because it requires less computational cost and makes it easier to find common patterns compared to the neural network model being studied recently.
이러한 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be determined only by the appended claims.
Claims (12)
영상 처리부에 의해 임의의 샘플링 주파수로 상기 안면 영상으로부터 얼굴의 특징점 추적을 통해 얼굴 미동 데이터를 검출하는 단계;
신호 처리부에 의해 상기 얼굴 미동 데이터로부터 RRI(R-peak to R-peak Interval)를 검출하여 심박 (Heart Rate, HR) 데이터를 추출하는 단계;
상기 HR 데이터로부터 HRV 변수를 추출하되, 시간영역의 SDNN(standard deviation normal to normal)와 rMSSD(root Mean Square of Successive Differences) 중의 적어도 어느 하나, 또는 주파수 영역의 TP(Total Power), lnTP, VLF(Very Low Frequency) 중의 적어도 어느 하나의 HRV 변수의 값(XS, XM, XT, XLT, XV)을 추출하는 단계;
상기 SDNN, rMSSD, TP, lnTP, VLF 등의 독립 변수의 값 XS, XM, XT, XLT, XV 로부터 아래의 회귀식들에 의해 상기 독립 변수 각각에 대한 종속 변수의 목표값 YS, YM, YT, YLT 및 YV 를 계산하는 단계;를 포함하는 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 방법.
SDDN의 목표값 (YS ) = 1.802 * XS ±0.141
rMSSD의 목표값 (YM) = 6.173 * XM ±0.741
TP의 목표값 (YT) = 2.981 * XT ± 0.346
lnTP 의 목표값(YLT) =1.131* XLT ± 0.078
VLF의 목표값(Yv) =1.019 * XV ±0.139Taking a facial image of a subject using a camera;
Detecting facial fine movement data by tracking facial feature points from the facial image at a random sampling frequency by an image processing unit;
extracting heart rate (HR) data by detecting RRI (R-peak to R-peak interval) from the facial fine movement data by a signal processor;
HRV variables are extracted from the HR data, at least one of SDNN (standard deviation normal to normal) and rMSSD (root mean square of successful differences) in the time domain, or TP (Total Power), lnTP, and VLF ( Extracting the value of at least one HRV variable ( X S , X M , X T ,
From the values of independent variables such as SDNN , rMSSD, TP , lnTP , and VLF , A vision system-based heart rate information measurement method comprising calculating S , Y M , Y T , Y LT , and Y V.
Target value of SDDN (Y S ) = 1.802 * X S ±0.141
Target value of rMSSD (Y M ) = 6.173 * X M ±0.741
Target value of TP (Y T ) = 2.981 * X T ± 0.346
Target value of lnTP ( Y LT) =1.131*
Target value of VLF (Yv) =1.019 *
상기 독립변수에는 lnVLF 가 포함되며,
lnVLF 의 값(XLV)으로부터 아래의 회귀식에 의해 lnVLF 의 목표값(YLV)를 계산하는 비전 시스템 기반 심박 정보 추출 방법.
YLV=0.888 * XLV±0.127According to paragraph 1,
The independent variables include lnVLF,
A vision system-based heart rate information extraction method that calculates the target value of lnVLF (Y LV ) from the value of lnVLF (X LV ) by the regression equation below.
Y LV =0.888 * X LV ±0.127
피험자로부터 PPG 데이터를 검출하여 이로부터 HR 기준 데이터를 추출하는 단계;
상기 HR 기준 데이터로부터 주파수별 상대 파워 밀도(Relative Power Density, RPD) 데이터를 기준 RPD로 추출하는 단계;
상기 HR 기준 데이터를 다수의 클러스터로 클러스터링 하는 단계; 그리고
상기 다수 클러스터를 이용하여, 상기 HR 기준 데이터에 대응하는 기준 RPD에 의해 심박수를 추론하는 심박수 결정 룰-베이스를 형성하는 단계;를 더 포함하는 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 방법.According to paragraph 1,
Detecting PPG data from a subject and extracting HR reference data from it;
Extracting frequency-specific relative power density (RPD) data from the HR reference data as a reference RPD;
Clustering the HR reference data into multiple clusters; and
Using the plurality of clusters, forming a heart rate determination rule base for inferring the heart rate based on a reference RPD corresponding to the HR reference data.
상기 RPD는 아래의 식에 의해 계산되는 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 방법.
위에서,
PS s : 시계열 신호 s 에 대한 주파수 대역의 파워 스펙트럼
P total : 전체 파워 스펙트럼의 합According to paragraph 3,
A vision system-based heart rate information measurement method in which the RPD is calculated by the equation below.
From above,
PS s : Power spectrum in frequency band for time series signal s
P total : sum of the entire power spectrum
상기 HR 기준 데이터에 라벨(Label)을 부여하여 데이터 셋을 구성하고,
상기 데이터 셋에 대해 클러스터링을 수행하고, 각 클러스터의 라벨(Label) 분포의 첨도 값(Kurtosis)이 정규분포(Gaussian) 이상이면 룰 베이스로 등록하는, 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 방법.According to paragraph 3,
Construct a data set by assigning a label to the HR standard data,
A vision system-based heart rate information measurement method that performs clustering on the data set and registers it as a rule base if the kurtosis value of the label distribution of each cluster is greater than or equal to the normal distribution (Gaussian).
상기 얼굴 미동 데이터를 주파수 분석을 통해 주파수 계열의 데이터로 변환하고, 소정 범위의 주파수 대역에서 파워 스펙트럼을 추출하고, 그리고
상기 파워 스펙트럼에 대해 각 주파수의 파워 값을 전체 파워 스펙트럼의 합으로 나눠 정규화하여 상기 RPD를 계산하는, 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 방법.According to paragraph 2,
Convert the facial fine movement data into frequency series data through frequency analysis, extract the power spectrum in a predetermined range of frequency bands, and
A vision system-based heart rate information measurement method that calculates the RPD by dividing the power value of each frequency with respect to the power spectrum by the sum of the entire power spectrum and normalizing it.
상기 얼굴 미동 데이터로부터 소정 주파수 대역에서의 상대 파워 밀도(RPD) 데이터를 비교 RPD로서 추출하는 단계;
상기 기준 RPD에 대한 비교 RPD의 거리의 계산에 의해 유사도를 얻는 단계; 그리고
상기 유사도를 이용하여 상기 측정 대상 피험자의 HR를 추론하는 단계;를 더 포함하는 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 방법.According to paragraph 2,
extracting relative power density (RPD) data in a predetermined frequency band from the facial fine movement data as a comparison RPD;
Obtaining similarity by calculating the distance of the comparison RPD to the reference RPD; and
A vision system-based heart rate information measuring method further comprising: inferring the HR of the subject to be measured using the similarity.
추론된 상기 측정 대상 피험자의 HR로부터 RRI 데이터를 계산하고, 상기 RRI에 대한 주파수 분석을 통해 상기 주파수 영역의 HRV 변수를 추출하는, 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 방법. In clause 7,
A vision system-based heart rate information measurement method that calculates RRI data from the inferred HR of the subject to be measured and extracts HRV variables in the frequency domain through frequency analysis of the RRI.
추론된 상기 측정 대상 피험자의 HR로부터 RRI 데이터를 계산하고, 상기 RRI에 대한 주파수 분석을 통해 상기 주파수 영역의 HRV 변수를 추출하는, 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 방법.According to any one of claims 3 to 6,
A vision system-based heart rate information measurement method that calculates RRI data from the inferred HR of the subject to be measured and extracts HRV variables in the frequency domain through frequency analysis of the RRI.
측정 대상 피험자로부터 얼굴 영상을 획득하는 카메라,
상기 얼굴 영상을 처리하여 하여 얼굴 미동 데이터를 추출하는 영상 처리부; 그리고
상기 얼굴 미동 데이터로부터 상기 시간영역의 SDNN(standard deviation normal to normal)와 rMSSD(root Mean Square of Successive Differences) 중의 적어도 어느 하나, 또는 상기 주파수 영역의 TP(Total Power), lnTP, VLF(Very Low Frequency) 중의 적어도 어느 하나의 상기 HRV 변수의 값(XS, XM, XL, XT, XV)의 상기 목표값 YS, YM, YT, YLT 및 YV 을 추출하는 프로세스 장치;를 포함하는 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 장치.In the vision system-based heart rate information measuring device that performs the method according to any one of claims 1 to 8,
A camera that acquires facial images from the subject being measured,
an image processing unit that processes the face image to extract facial fine movement data; and
From the facial fine movement data, at least one of SDNN (standard deviation normal to normal) and rMSSD (root mean square of successful differences) in the time domain, or TP (Total Power), lnTP, and VLF (Very Low Frequency) in the frequency domain ) A process device for extracting the target values Y S , Y M , Y T , Y LT , and Y V of at least one of the HRV variable values ( X S , A vision system-based heart rate information measuring device including;
상기 프로세스 장치:는
피험자로부터 PPG 데이터를 검출하여 이로부터 HR 기준 데이터를 추출하고, 상기 HR 기준 데이터로부터 주파수별 상대 파워 밀도(Relative Power Density, RPD) 데이터를 기준 RPD로 추출하고,
상기 HR 기준 데이터를 다수의 클러스터로 클러스터링 하고,
상기 다수 클러스터를 이용하여, 상기 HR 기준 데이터에 대응하는 기준 RPD에 의해 심박수를 추론하는 심박수 결정 룰-베이스를 형성하되,
상기 얼굴 미동 데이터로부터 소정 주파수 대역에서의 상대 파워 밀도(RPD) 데이터를 비교 RPD로서 추출하고, 상기 기준 RPD에 대한 비교 RPD의 거리의 계산에 의해 유사도를 얻고, 그리고 상기 유사도를 이용하여 상기 측정 대상 피험자의 HR를 추론하는;; 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 장치.According to clause 10,
The above process device:
Detect PPG data from the subject, extract HR reference data from it, and extract relative power density (RPD) data by frequency from the HR reference data as reference RPD,
Clustering the HR reference data into multiple clusters,
Using the plurality of clusters, a heart rate determination rule-base is formed for inferring the heart rate by a reference RPD corresponding to the HR reference data,
Relative power density (RPD) data in a predetermined frequency band is extracted from the facial fine movement data as a comparison RPD, a similarity is obtained by calculating the distance of the comparison RPD with respect to the reference RPD, and the measurement object is measured using the similarity. inferring the subject's HR;; Vision system-based heart rate information measuring device.
상기 피험자로부터 PPG를 측정하는 PPG 센서 또는 심전도를 측정하는 ECG센서를 더 구비하는, 비전 시스템 기반 심박 정보 측정 장치.According to clause 11,
A vision system-based heart rate information measuring device further comprising a PPG sensor for measuring PPG from the subject or an ECG sensor for measuring electrocardiogram.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020220099425A KR20240021000A (en) | 2022-08-09 | 2022-08-09 | Method and Apparatus for measuring HR information based on Vision System |
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Publications (1)
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