KR20240078926A - 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 및 이를 이용한 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 아날로그 회로가 구성된 기판, 상기 기판의 일면에 장착되어 발목 부위의 피부에 접촉하여 발목 부위의 광전용적맥파(PPG) 신호를 측정하는 반사형 센서부, 상기 광전용적맥파 신호로부터 심박변이도를 분석하여 산소포화도 평가 신호 및 스트레스 평가 신호를 출력하는 신호처리부, 상기 신호처리부에서 수신된 산소포화도 평가 신호 및 스트레스 평가 신호를 단말기로 출력하는 출력부, 근거리 무선 통신 영역 내에 위치한 적어도 하나 이상의 단말기와 무선 통신을 수행하는 데이터 무선 통신부, 및 사용자의 발목에 착용되어 발목 부위를 감싸서 상기 기판을 사용자의 발목에 고정시키는 밴드를 포함함으로써 후경골동맥에 흐르는 혈관의 광전용적맥파(PPG) 신호를 이용하여 맥박 검출을 통해 만성 스트레스 추정 및 SpO2(산소포화도)와 같은 사용자 건강상태 정보를 제공할 수 있는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 후경골동맥에 흐르는 혈관의 발목형 광전용적맥파(Photoplethysmography, PPG) 신호를 이용하여 맥박 검출을 통해 만성 스트레스 추정 및 SpO2(산소포화도)를 제공할 수 있는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.
2개 이상의 센서가 요구되는 ECG(Electrocardiogram) 신호와 비교하여 혈관의 광전용적맥파(이하 'PPG'라고도 함) 신호는 상대적으로 사용자에게 불편함을 덜어주고 스마트 워치에서도 측정이 가능하며 의료 및 운동과 같은 비의료적 목적의 기기에 사용되고 있다.
일반적으로 PPG는 광학적 검출방법을 이용해 혈액량의 변화를 측정하는 방법은 LED와 포토다이오드를 사용하여 신체를 투과 혹은 반사된 이후 빛이 지나간 경로에 있는 피부, 조직, 혈액의 양에 비례하여 변화되는 광량의 변화를 측정한다.
상기의 측정 방법에 따라 PPG 신호를 부위별로 측정할 수가 있다. 의료용으로 보급되는 제품 중에 손가락 부위의 말초혈관에 PPG 신호를 측정하거나, 또한 손목 부위에서 PPG 신호를 측정하는 기술이 있다. 상기처럼 현재 PPG 신호를 이용하여 의료 또는 운동과 같은 비의료적인 목적에 맞추어 신호를 분석하는 디바이스가 시중에 많이 존재한다.
그러나, PPG 신호를 측정하는 기술은 작업 중에 있는 현장근로자들은 과로로 인해 다양한 사고가 발생하는 실태에서 현장근로자들의 건강상태를 실시간으로 모니터링하여 사고를 예방하는 효율적인 방법이 대두되고 있지 못하다.
상기 문제를 해결하기 위해 근로자의 뇌파를 실시간으로 측정하는 안전관리 시스템이 제시되었으나, 두부에 착용되는 안전모에 장착되는 뇌파 측정기는 움직일 때의 동잡음을 잡기가 힘들며, 상대적으로 PPG 센서보다 단가가 비싸기 때문에 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
또 다른 방법으로 근로자를 위한 스마트폰 웨어러블 시스템이 제시되었으나, 이는 근로자의 건강상태가 아닌, 안전장치에 대해 실시간 모니터링하는 것이므로 근로자 과로로 인한 사고를 예방하기에는 효율적이지 못하고, 근로자가 현장에서 일을 할 때 움직임에 대한 불편함과 장치 관리에 대한 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 근로자의 업무환경을 고려하여 손목형 디바이스 대신 업무에 방해가 되지 않는 발목형 각반 형식의 광전용적맥파 측정 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스를 이용하여 근로자의 심리상태 및 건강상태 확인을 통해 현장 근로자의 작업 가능 여부를 관리자가 실시간으로 모니터링 할 수 있는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스는, 아날로그 회로가 구성된 기판, 상기 기판의 일면에 장착되어 발목 부위의 피부에 접촉하여 발목 부위의 후경골동맥에 흐르는 혈관의 광전용적맥파(PPG) 신호를 측정하는 반사형 센서부, 상기 광전용적맥파 신호로부터 심박변이도를 분석하여 산소포화도 평가 신호 및 스트레스 평가 신호를 출력하는 신호처리부, 상기 신호처리부에서 수신된 산소포화도 평가 신호 및 스트레스 평가 신호를 모바일 단말기나 PC 등의 단말기로 출력하는 출력부, 근거리 무선 통신 영역 내에 위치한 적어도 하나 이상의 단말기와 무선 통신을 수행하는 데이터 무선 통신부, 및 사용자의 발목에 착용되어 발목 부위를 감싸서 상기 기판을 사용자의 발목에 고정시키는 밴드를 포함한다.
본 발명의 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스에서 상기 반사형 센서부는 적색광 LED와 적외선광 영역의 파장을 발생하는 적외선광 LED를 포함하여, 적색광 파장 및 적외선광 파장을 이용하여 두 개의 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 제어를 통해 광전용적맥파(PPG) 신호를 측정한다.
상기 적색광 파장은 600nm 내지 700nm 범위이고, 상기 적외선광 파장은 900nm 내지 1000nm 범위인 것을 바람직하다.
본 발명의 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스에서 상기 아날로그 회로는, 상기 반사형 센서로부터 측정된 광전용적맥파 신호에서 잡음을 제거하는 필터부, 상기 필터부를 거친 광전용적맥파 신호를 증폭하는 신호 증폭기, 및 측정된 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 ADC 변환기를 포함한다.
본 발명의 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스에서 상기 신호처리부는, PPI(Peak to Peak Interval) 검출 알고리즘 및 비어-람베이트 법칙(Beer-Lambert Law) 알고리즘을 이용한다.
상기 신호처리부는 시간 영역 분석 방법 및 주파수 영역 분석 방법을 통하여 심박변이도를 분석한다.
상기 반사형 센서부에서 감지된 신호에 따라 상기 아날로그 회로, 상기 신호처리부, 상기 출력부 및 상기 통신부를 제어하는 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit)를 포함할 수 있다.
본 발명의 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스에서 상기 기판의 일 측에는 2차 건전지를 수용하여 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스에 전원을 인가하는 건전지 소자, 및 상기 건전지 소자와 연결되어 2차 건전지를 충전시키는 충전부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시스템은 스트레스를 측정하는 시스템으로서, 아날로그 회로가 구성된 기판, 상기 기판의 일면에 장착되어 발목 부위의 피부에 접촉하여 발목 부위의 후경골동맥에 흐르는 혈관의 광전용적맥파(PPG) 신호를 측정하는 반사형 센서부, 상기 광전용적맥파 신호로부터 심박변이도를 분석하여 산소포화도 평가 신호 및 스트레스 평가 신호를 출력하는 신호처리부, 상기 신호처리부에서 수신된 산소포화도 평가 신호 및 스트레스 평가 신호를 단말기로 출력하는 출력부, 근거리 무선 통신 영역 내에 위치한 적어도 하나 이상의 단말기와 무선 통신을 수행하는 데이터 무선 통신부, 및 사용자의 발목에 착용되어 발목 부위를 감싸서 상기 기판을 사용자의 발목에 고정시키는 밴드를 포함하는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스, 상기 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스부터 측정된 사용자의 심박수, 심박변이, 산소포화도 정보 및 스트레스 정보 중에서 선택되는 어느 하나의 생체정보를 전송받아 상기 생체정보를 화면에 표시하는 모바일 단말기, 상기 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스에서 수신된 생체정보 데이터를 저장하고, 단말기와 연동하여 관리자용 앱 또는 PC용 프로그램으로 실시간 원격 모니터링하는 관리자용 서버를 포함한다.
상기 시스템은 상기 모바일 단말기에 전용 앱 어플리케이션이 설치되어, 상기 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 및 상기 관리자용 서버와 연동하여 상기 전용 앱 어플리케이션을 통해 상기 생체정보를 화면에 표시할 수 있다.
본 발명의 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 및 이를 이용한 시스템은 PPG 신호 측정을 발목 부위의 검출하는 것으로 작업 시 착용하는데 불편하지 않고, 작업자의 스트레스 추정 및 건강상태 진단이 가능하므로, 작업자의 인명 재해를 예방할 수 있고 실시간 모니터링으로 관리를 통한 작업 효율 증대, 그리고 이를 통한 의료비용이 절감 등의 효과가 있다.
또한, 안전한 작업 환경 조성으로 고난도, 고위험군의 직업 종사자의 인명 재해 예방, 그리고 작업 효율 증대에 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스의 앞면을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스의 뒷면을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스의 구성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스를 이용한 시스템의 개략적인 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스에서 신호 처리부의 구성을 나타낸 것이다.
도 8은 PPG 신호를 정규화한 신호의 그래프이다.
도 9는 시간 영역 분석법으로 PPG 신호를 이용하여 심박변이도를 분석하는 방법을 나타낸 것이다.
도 10은 주파수 영역 분석법으로 심박변이도를 분석하는 방법을 나타낸 것이다.
도 11은 헤모글로빈의 산소 흡스 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 12는 반사형 센서부에서 적색광 LED와 적외선광 LED를 이용하여 두개의 펄스 폭 변조(PWM) 제어를 통해 광량의 변화를 나타낸 것이다.
도 13은 반사형 센서를 사용하여 손가락의 요골동맥에 흐르는 혈류의 PPG 신호를 계측하는 모습이다.
도 14는 상기 도 13을 통해 측정된 Raw PPG 신호 데이터와 필터링된 PPG 신호 데이터를 비교한 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 차량 스티어링 휠에 PPG 신호 측정 센서가 장착된 모습이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스의 뒷면을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스의 구성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스를 이용한 시스템의 개략적인 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스에서 신호 처리부의 구성을 나타낸 것이다.
도 8은 PPG 신호를 정규화한 신호의 그래프이다.
도 9는 시간 영역 분석법으로 PPG 신호를 이용하여 심박변이도를 분석하는 방법을 나타낸 것이다.
도 10은 주파수 영역 분석법으로 심박변이도를 분석하는 방법을 나타낸 것이다.
도 11은 헤모글로빈의 산소 흡스 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 12는 반사형 센서부에서 적색광 LED와 적외선광 LED를 이용하여 두개의 펄스 폭 변조(PWM) 제어를 통해 광량의 변화를 나타낸 것이다.
도 13은 반사형 센서를 사용하여 손가락의 요골동맥에 흐르는 혈류의 PPG 신호를 계측하는 모습이다.
도 14는 상기 도 13을 통해 측정된 Raw PPG 신호 데이터와 필터링된 PPG 신호 데이터를 비교한 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 차량 스티어링 휠에 PPG 신호 측정 센서가 장착된 모습이다.
이하 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 것에 한정되지 않는다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스의 앞면을 나타낸 것이다.
본 명세서에서 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스의 앞면이란 사용자가 발목에 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스를 착용하였을 때, 발목 부위 피부와 접촉하는 기판의 일면의 반대면을 '앞면'으로 정의하였으며, 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스의 뒷면은 상기 앞면의 반대면으로, 사용자 발목 부위 피부와 접촉하는 기판의 면을 '뒷면'이라 정의하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스는 기판(100)의 일면에 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit, MCU)(110), 통신부인 블루투스(120), 2차 건전지를 수용하여 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스에 전원을 인가하는 건전지 소자(130b) 및 상기 기판의 일측 단부에 형성되고, 상기 건전지 소자와 연결되어 2차 건전지를 충전시키는 충전부(130a)를 포함한다.
상기 기판(100)은 아날로그 회로가 구성된 기판인 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)이다.
상기 마이크로 컨트롤러 유닛(110)은 디바이스 작동을 제어하는 것으로 반사형 센서부에서 감지된 신호에 따라 상기 아날로그 회로, 상기 신호처리부, 상기 출력부 및 상기 통신부를 제어한다.
마이크로 컨트롤러 유닛(110)에서 PPI(Peak to Peak Interval) 검출 알고리즘 및 비어-람베이트 법칙(Beer-Lambert Law) 알고리즘을 적용하여 신호처리하고, ADC 변환 및 신호 출력이 이루어지며, 마이크로 컨트롤러 유닛(110)에서 가공된 신호는 출력부를 통해 모바일 단말기나 PC로 보낸다.
상기 충전부(130a)는 타입A USB 커넥터, 타입B USB 커넥터, 미니A USB 커넥터, 미니B USB 커넥터, 마이크로A USB 커넥터, 마이크로B USB 커넥터, UC-26 USB 커넥터, 양면인식 USB 커넥터, 타입C USB 커넥터, USB 3.0A 타입 커넥터, USB 3.0B 타입 커넥터, USB 3.0 마이크로B 커넥터, USB 3.0 미니 10핀 커넥터, 30핀 도크 커넥터, 라이트닝 8핀 커넥터 중 어느 하나의 커넥터 형태로 구성하여 디바이스를 충전시킬 수 있다. 이중 바람직하게 타입C USB 커넥터를 사용할 수 있다.
상기 충전부(130a)가 마련되어 있어, 기판(100)에 배치된 2차 건전지가 방전되는 경우 곧바로 충전할 수 있도록 한다.
도 2에 나타낸 것처럼, 2차 건전지로 리튬 건전지(140)가 상기 마이크로 컨트롤러(110), 블루투스(120), 건전지 소자(130b)를 덮으며, 기판(100)에 장착될 수 있다.
도 3은 기판(100)에 밴드(200)가 장착된 모습을 나타낸 것이다.
도 3에 나타낸 바와 같이 기판(100)의 대향하는 양 측에는 밴드 고정홀(210)이 형성되어 있을 수 있다. 상기 밴드 고정홀(210)은 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스를 착용할 시, 기판이 사용자 발목에 고정되도록 하는 밴드(200)가 통과할 수 있도록 하기 위함이다. 상기 밴드(200)는 탄력성 있는 소재라면 특별히 제안되지 않고 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스의 뒷면을 나타낸 것으로, 발목 부위의 피부에 접촉하여 발목 부위의 후경골동맥에 흐르는 혈관의 광전용적맥파(PPG) 신호를 측정하는 반사형 센서부(150)가 형성되어 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스의 구성을 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스(500)는 반사형 센서부(510), 필터부(520), 신호 증폭기(530), 신호 처리부(540), 출력부(550) 및 통신부(560)을 포함한다.
반사형 센서부(510)는 적색광 파장 및 적외선광 파장을 이용하여 두 개의 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 제어를 통해 광전용적맥파(PPG) 신호를 측정한다.
상기 반사형 센서부(510)는 적색광 영역의 파장을 발생하는 적색광 LED와 적외선광 영역의 파장을 발생하는 적외선광 LED를 포함한다.
여기서 측정되는 파장 피크가 포함되는 파장은 상기 적색광 파장은 600nm 내지 700nm 범위이고, 상기 적외선광 파장은 900nm 내지 1000nm 범위일 수 있으며, 바람직하게 적색광 피크 파장은 650nm이고 적외선광 파장은 950nm
상기 반사형 센서부(510)에서 측정된 광전용적맥파(PPG) 신호는 아날로그 회로를 통해 상기 반사형 센서부(510)로부터 측정된 광전용적맥파(PPG) 신호의 잡음을 제거하고, 광전용적맥파 신호를 증폭하며 디지털 신호로 변환한다.
상기 아날로그 회로는, 반사형 센서로부터 측정된 광전용적맥파 신호에서 잡음을 제거하는 필터부(520), 상기 필터부(520)를 거친 광전용적맥파 신호를 증폭하는 신호 증폭기(530), 및 측정된 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 ADC 변환기(Analog to Digital Converter)를 포함한다.
상기 필터부(520)는 신호의 고주파성분만을 통과시키는 고역통과 필터(High-pass filter) 및 신호의 저주파성분만을 통과시키는 저역통과 필터(Low-pass filter)를 포함한다.
상기 신호 증폭기(530)는 상기 필터부(530)에서 필터링 후, 트랜스 임피던스 증폭기(Trans Impedance Amplifier) 소자를 이용해 신호를 증폭시킨다.
신호 처리부(540)는 상기 아날로그 회로의 필터부(520), 신호 증폭기(530), 및 ADC 변환기를 통해 변환된 광전용적맥파(PPG) 신호로부터 심박변이도(Heart Rate Variability, HRV)를 분석하여 산소포화도 평가 신호 및 스트레스 평가 신호를 출력한다.
상기 신호처리부(540)는, PPI(Peak to Peak Interval) 검출 알고리즘 및 비어-람베이트 법칙(Beer-Lambert Law) 알고리즘을 이용한다.
상기 신호처리부(540)는 시간 영역 분석 방법 및 주파수 영역 분석 방법을 통하여 심박변이도를 분석한다.
신호처리부(540)에서 산소포화도 평가 신호 및 스트레스 평가 신호를 계산하기 위한 알고리즘에 대한 설명은 이후에 설명될 도면을 참조로 상세히 설명한다.
출력부(550)는 상기 신호처리부(540)에서 수신된 산소포화도 평가 신호 및 스트레스 평가 신호를 단말기로 출력한다.
통신부(560)는 근거리 무선 통신 영역 내에 위치한 적어도 하나 이상의 단말기와 무선통신을 하는 수행하는 것으로, 바람직하게 블루투스(120)가 사용될 수 있다.
앞서 설명한 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스를 이용하여 사용자의 건강상태를 판단할 수 있는 산소포화도 및 스트레스를 측정하기 위한 시스템을 구성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발목형 광전용적맥파(PPG) 측정 디바이스를 이용한 시스템의 개략적인 모식도이다.
도 6에 도시된 바와 같이 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 시스템은 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스(10), 상기 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스(10)에 구성된 근거리 무선통신인 블루투스(150)를 통해 측정된 광전용적맥파 신호를 기반으로 한 생체정보를 전송받아, 상기 생체정보를 화면에 표시하는 모바일 단말기(300) 및 상기 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스에서 수신된 생체정보 데이터를 저장하고, 모바일 단말기와 연동하여 관리자용 앱 또는 PC용 프로그램으로 실시간으로 모니터링하는 관리자용 서버(400)를 포함한다.
상기 생체정보는 상기 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스부터 측정된 사용자의 심박수, 심박변이, 산소포화도 정보 및 스트레스 정보 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이다.
상기 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스(10)는, 사용자의 발목에 착용되어 발목 부위의 피부에 접촉하여 발목 부위의 후경골동맥에 흐르는 혈관의 광전용적맥파를 측정한다.
상기 모바일 단말기(300)에는 전용 앱 어플리케이션이 설치되어, 상기 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스(10) 및 상기 관리자용 서버(400)와 연동하여 상기 전용 앱 어플리케이션을 통해 상기 생체정보를 화면에 표시한다.
상기 시스템은 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스부터 측정된 생체정보를 받아 만성 스트레스를 분석하여 사용자의 건강 위험도를 판단하는 판단부를 더 포함할 수 있다.
만약 상기 판단부에서 건강상태가 위험하다고 판단되면 모바일 단말기 및 관리용 서버로 경고 알림 신호를 전송하여, 사용자 및 관리자 모두에게 건강 상태를 파악할 수 있도록 한다.
도 7은 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스에서 측정된 광전용적맥파 신호를 기반으로 생체정보를 분석하는 알고리즘을 사용하는 본 발명의 시스템 구성을 제시한다.
반사형 센서부에서 측정된 광전용적맥파(PPG) 신호는 다양한 대역대의 노이즈가 혼합되어 원하는 광전용적맥파(PPG) 신호만을 확인할 수 없으므로, 아래 설명한 바와 같이 필터를 통해 원하는 대역대의 신호만 검출한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 시스템(600)은 피크 검출(Peak Detection)(640)을 하기 위해서는 광전용적맥파(PPG) 신호가 깨끗해야 하므로 잡음을 제거하여 안정화된 신호를 얻기 위해 일차적으로 아날로그 필터(Analog filtering) 후에 디지털 필터(Digital filter)를 사용한다. Peak Detection(640)을 위해서는 임의로 추가해주었던 레퍼런스 전압을 제거해야할 필요가 있으며 낮은 이차적으로 차수로 구현이 용이하고 피드백 구조를 가진 무한임펄스 응답 필터(Infinite Impluse Response, IIR Filter)(610)를 구현한다. IIR Filter(610)을 구현하기 위해서는 신호의 샘플링(Sampling)을 100hz로 설정하였으며 시스템 도메인 상의 수식은 다음 수학식 1과 같다.
이때 본 발명에서 사용한 Biquad filter에 사용하는 함수로 변경하려면 z 변환히 필요하고, Quality Factor를 도입한 함수로 변경해야하며, 그리고 Quality Factor로 정리한 함수는 다음 수학식 2와 같으며 이때 는 를 의미한다.
상기 수학식 2를 통해 정리한 이후, 부동 소수점 연산에 유리한 Direct form 2 Transposed Structure를 사용하고 시스템 구현을 위해 z로 표현하면 다음 이하의 수학식 3 내지 수학식 6으로 계산할 수 있다.
상기 수학식 3 내지 수학식 6을 거쳐 계산된, 
값의 Coefiicient Value와 Sampling Frequency는 100Hz, 0.1Hz 이하와 15Hz 이상 대역의 신호를 filtering 하는 4차 filter를 설계한다.
필터를 거쳐 획득된 광전용적맥파(PPG) 신호는 사용자의 맥박, 혈압, 스트레스 상태 등을 확인하는 데 사용되는데, 이때 중요한 변수 요인 중 하나는 반복되는 파형 중 Peak 점과 Peak 점 사이의 간격인 PPI(Peak to Peak Interval)를 알아내는 것이다.
도 8은 PPG 신호를 정규화한 신호의 한 주기를 나타낸 그래프이며, 광전용적맥파(PPG)의 P 지점(710)은 Peak 점으로 위로 볼록한 변곡점의 형태를 보인다. 이때 변곡점에서 신호의 기울기는 0에 수렴하게 되는데 원신호를 1차 도출(Derivation)하면 그래프 기울기를 확인할 수 있다.
그러나 1차 도출(Derivation)을 거치게 되면 신호가 일그러져서 복구하기 위해서이며, 샘플링(sampling) 주기에 따라 왜곡이 발생을 방지하기 위하여 신호를 매끄럽게 만들기 위한 평활화(Smoothing)(620)을 적용한 후 Peak(710) 검출을 하도록 한다. 그러나, 기울기가 0인 점을 찾아 Peak(710) 검출을 하면 T 지점(720)과 S 지점(730) 모두 변곡점에서 기울기가 0으로 검출되어 오류가 발생한다. 따라서 원신호의 절댓값이 임계(Threshold) 값 이상일 때라는 조건을 추가하는 한편 심장 박동의 주기는 평균적으로 800ms로 한번 피크가 검출될 시, 0.5초 이내에 다른 피크 점을 검출하지 않음으로써 정확도를 향상시킨다.
상기 도 8에서와 같은 광전용적맥파(PPG) 신호에 대한 파형을 확인하여 최종적으로 이를 이용하여 PPI를 확인할 수 있다.
본 발명의 시스템을 통해 심장박동수(BPM)은 아래 수학식 7을 통해 PPI를 BPM으로 변환하여 계산할 수 있다.
본 발명의 시스템에서 스트레스 평가(Stress Estimation)(660)는 심박변이도(Heart Rate Variability, HRV)를 통해 분석될 수 있다.
자율신경계의 교감 신경 및 부교감 신경으로 구성되어 있으며 인체의 불균형 상태를 교정하고 평형을 유지하는 기능이다. 이때의 자율신경계가 하는 가장 큰 역할 중 하나는 심작 박동 변이의 조절인 HRV(650) 즉, 시간에 따른 심장의 박동의 주기적인 변화(fluctuation of R-R interval)를 측정하고 분석함으로써 자율신경계의 균형도에 대한 정보를 얻을 수 있다. HRV Analysis(650)의 대표적으로 시간적 영역 분석법과 주파수 영역 분석법이 있다.
도 9는 시간 영역 분석법으로 PPG 신호를 이용한 심박변이도를 분석하는 방법을 나타낸 것이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 시간 영역 분석법(800)은 연속된 심박 데이터에서 각각의 Peak와 Peak 사이의 간격을 분석하는 방법을 나타낸다. 이는 최고 PPI(810), 평균 NN 간격(mean of all normal R-R intervals)(820), SDNN(Standard Deviation of all normal R-R intervals)(830), RMSSD(The root mean square successive difference of R-R intervals)(840)를 추출한다.
대체적으로 50ms 미만의 SDNN(830)은 매우 낮은 고위험의 지표로, 100ms 미만의 SDNN(830)을 저하된 위험의 지표로 나타난다. RMSSD(840)는 비교적 단기간의 심박 변이를 이용하는 방법이며, 시간 영역 분석(800)을 사용할 때에는 측정한 시간이 매우 중요하여 측정 시간이 커질수록 주요 변수들의 수치가 커지게 된다.
도 10은 주파수 영역 분석법으로 심박 변이도를 분석하는 방법을 나타낸 것이다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 주파수 영역 분석법(900)은 상기 시간 영역 분석법(800)과 다르게 주파수의 영역의 파워를 기반으로 분석하여 영역을 초저주파(Very Low Frequency, VLF, 0.003~0.04Hz), 저주파(Low Frequency, LF, 0.04~0.15Hz), 고주파(High Frequency, HF, 0.15~0.4Hz)(920)로 3가지 파워 스펙트럼 성분과 전체 파워스펙트럼으로 구분하여 분석한다. 일반적으로 VLF 성분은 심박 변이도 분석에는 사용되지 않으며 전체 파워 감소함에 따라 발생되는 변수를 배제하기 위하여 전체 파워에서 VLF를 뺀 뒤, 백분율을 구하는 Norm LF(930), Norm HF(940)을 사용한다. LF/HF(950) 성분은 교감 신경 활성도/부교감 신경 활성도의 균형 지표로 사용하여 상기 내용을 스트레스의 심혈관계의 반응을 동반하여 스트레스 평가(Stress Estimation)(660)한다.
본 발명의 시스템에서 산소포화도 평가(SpO2 Estimation)(670)는 산소 포함 헤모글로빈(Oxy Hb, HbO2)와 산소 미포함 헤모글로빈(Deoxy Hb, Hb)를 이용한다.
도 11은 헤모글로빈의 산소 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 11에서처럼 혈중 산소포화도(660)는 헤모글로빈의 농도에 대해 산소를 포함하고 있는 헤모글로빈 농도의 비율로써 정의된다. 적색광(650nm)(1010)과 적외광(950nm)(1020)에서 맥동성분을 추출하고 하기 수학식 8 및 수학식 9를 통해 산소포화도 SpO2(660)를 계산한다.
비어-람베이트 법칙(Beer-Lambert Law) 알고리즘을 이용하여 산소포화도 를 계산할 수 있다.
수학식 8에서 α와 β는 광학 특성 상수이다.
도 12에 도시된 바와 같이 반사형 센서부에서 적색광 LED와 적외선광 LED를 이용하여 두개의 펄스 폭 변조(PWM) 제어를 통해 광량의 변화를 측정한다.
본 발명의 시스템은 발목뿐만 아니라 다른 신체 부위에 적용하여 스트레스를 측정할 수 있다.
일 실시예로 도 13에 나타낸 바와 같이 반사형 센서부를 사용하여 손가락의 요골동맥에 흐르는 혈류의 PPG 신호를 계측할 수 있다.
부위를 족배동맥으로 바꾸어 도 14처럼 Raw PPG 신호 데이터와 필터링된 PPG 신호 데이터를 비교하여 계측할 수 있다.
또 다른 실시예로 도 15에서 처럼 PPG 신호 측정 부위를 손바닥 위치에 두어 차량 스티어링 휠에 부착시켜 취득한다. 스티어링 휠에 두 손을 움켜쥐면, 취득 부위(1200)에 손바닥 PPG 측정 센서를 취득하여 운전자 졸음 상태를 예측 및 사고를 예방하는 시스템을 구성할 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이 본 발명의 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 및 이를 이용한 시스템은 발목 부위에서 광전용적맥파(PPG) 신호를 측정함으로써, 이를 통해 사용자의 상체를 구속하지 않고, 착용하여 측정이 용이하고, 또한 실시간으로 모바일 단말기나 PC등을 통해 작업자의 피로도, 스트레스 상태 및 건강상태에 대해 모니터링이 가능하므로 관리를 통해 사고 예방하고, 작업 효율이 증대될 수 있다.
10 : 발목형 광적용적맥파 측정 디바이스
100 : 기판
110 : 마이크로 컨트롤러
120 : 블루투스
130a : 충전부
130b : 건전지 소자
140 : 리튬 건전지
150 : 반사형 센서
200 : 밴드
210 : 밴드 고정홀
300 : 모바일 단말기
310 : 전용 앱 어플리케이션
400 : 관리자용 서버
500 : 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 시스템
510 : 센서부
520 : 필터부
530 : 신호증폭기
540 : 신호처리부
550 : 출력부
560 : 데이터 무선 통신부
600 : 시스템
610 : 무한임펄스 응답 필터
620 : 평활화(Smoothing)
630 : 미분값 계산(Derivative)
640 : 피크 검출
650 : 심박변이도 분석(heat rate variability analysis)
660 : 스트레스 평가(Stress Estimation)
670 : 산소포화도 평가(SpO2 Estimation)
700 : PPG 신호를 정규화한 신호 그래프
710 : P 지점
720 : T 지점
730 : S 지점
800 : 시간 영역 분석법
810 : PPI
820 : 평균 NN 간격
830 : SDNN
840 : RMSSD
900 : 주파수 영역 분석법
910 : 저주파(Low Frequency, LF)
920 : 고주파(High Frequency, HF)
930 : 일반 저주파(Norm LF)
940 : 일반 고주파(Norm HF)
950 : LF/HF
1000 : 헤모글로빈의 산소 흡수 스펙트럼
1010 : 적색광
1020 : 적외선광
1100 : 손가락 검지의 끝인 요골동맥에 흐르는 혈류의 PPG 신호를 계측 실시예
1200 : 취득부위
100 : 기판
110 : 마이크로 컨트롤러
120 : 블루투스
130a : 충전부
130b : 건전지 소자
140 : 리튬 건전지
150 : 반사형 센서
200 : 밴드
210 : 밴드 고정홀
300 : 모바일 단말기
310 : 전용 앱 어플리케이션
400 : 관리자용 서버
500 : 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 시스템
510 : 센서부
520 : 필터부
530 : 신호증폭기
540 : 신호처리부
550 : 출력부
560 : 데이터 무선 통신부
600 : 시스템
610 : 무한임펄스 응답 필터
620 : 평활화(Smoothing)
630 : 미분값 계산(Derivative)
640 : 피크 검출
650 : 심박변이도 분석(heat rate variability analysis)
660 : 스트레스 평가(Stress Estimation)
670 : 산소포화도 평가(SpO2 Estimation)
700 : PPG 신호를 정규화한 신호 그래프
710 : P 지점
720 : T 지점
730 : S 지점
800 : 시간 영역 분석법
810 : PPI
820 : 평균 NN 간격
830 : SDNN
840 : RMSSD
900 : 주파수 영역 분석법
910 : 저주파(Low Frequency, LF)
920 : 고주파(High Frequency, HF)
930 : 일반 저주파(Norm LF)
940 : 일반 고주파(Norm HF)
950 : LF/HF
1000 : 헤모글로빈의 산소 흡수 스펙트럼
1010 : 적색광
1020 : 적외선광
1100 : 손가락 검지의 끝인 요골동맥에 흐르는 혈류의 PPG 신호를 계측 실시예
1200 : 취득부위
Claims (10)
- 아날로그 회로부가 구성된 기판(100);
상기 기판의 일면에 장착되어 발목 부위의 피부에 접촉하여 발목 부위의 후경골동맥에 흐르는 혈관의 광전용적맥파(PPG) 신호를 측정하는 반사형 센서부;
상기 광전용적맥파 신호로부터 심박변이도를 분석하여 산소포화도 평가 신호 및 스트레스 평가 신호를 출력하는 신호처리부;
상기 신호처리부에서 수신된 산소포화도 평가 신호 및 스트레스 평가 신호를 단말기로 출력하는 출력부;
근거리 무선 통신 영역 내에 위치한 적어도 하나 이상의 단말기와 무선 통신을 수행하는 통신부; 및
사용자의 발목에 착용되어 발목 부위를 감싸서 상기 기판(100)을 사용자의 발목에 고정시키는 밴드(200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 반사형 센서부는,
적색광 파장 및 적외선광 파장을 이용하여 두 개의 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 제어를 통해 광전용적맥파(PPG) 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스. - 제2항에 있어서,
상기 적색광 파장은 600nm 내지 700nm 범위이고,
상기 적외선광 파장은 900nm 내지 1000nm 범위인 것을 특징으로 하는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 아날로그 회로는,
상기 반사형 센서(150)로부터 측정된 광전용적맥파 신호에서 잡음을 제거하는 필터부;
상기 필터부를 거친 광전용적맥파 신호를 증폭하는 신호 증폭기; 및
측정된 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 ADC 변환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 신호처리부는,
PPI(Peak to Peak Interval) 검출 알고리즘 및 비어-람베이트 법칙(Beer-Lambert Law) 알고리즘을 이용하는 것을 특징으로 하는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 신호처리부는 시간 영역 분석 방법 및 주파수 영역 분석 방법을 통하여 심박변이도를 분석하는 것을 특징으로 하는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 반사형 센서부를 컨트롤 하면서 상기 반사형 센서부에서 감지된 광전용적맥파 신호에 따라 상기 아날로그 회로부, 상기 신호처리부, 상기 출력부 및 상기 통신부를 제어하는 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit)을 포함하는 것을 특징으로 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 일 측에는 2차 건전지를 수용하여 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스에 전원을 인가하는 건전지 소자; 및
상기 건전지 소자와 연결되어 2차 건전지를 충전시키는 충전부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스. - 스트레스를 측정하는 시스템으로서,
기판, 상기 기판의 일면에 장착되어 발목 부위의 피부에 접촉하여 발목 부위의 후경골동맥에 흐르는 혈관의 광전용적맥파(PPG) 신호를 측정하는 반사형 센서부, 상기 반사형 센서부로부터 측정된 광전용적맥파 신호의 잡음을 제거하고, 광전용적맥파 신호를 증폭하며 디지털 신호로 변환하는 아날로그 회로부, 상기 광전용적맥파 신호로부터 심박변이도를 분석하여 산소포화도 평가 신호 및 스트레스 평가 신호를 출력하는 신호처리부, 상기 신호처리부에서 수신된 산소포화도 평가 신호 및 스트레스 평가 신호를 단말기로 출력하는 출력부, 근거리 무선 통신 영역 내에 위치한 적어도 하나 이상의 단말기와 무선 통신을 수행하는 데이터 무선 통신부, 및 사용자의 발목에 착용되어 발목 부위를 감싸서 상기 기판을 사용자의 발목에 고정시키는 밴드를 포함하는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스;
상기 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스부터 측정된 사용자의 심박수, 심박변이, 산소포화도 정보 및 스트레스 정보 중에서 선택되는 어느 하나의 생체정보를 전송받아, 상기 생체정보를 화면에 표시하는 모바일 단말기;
상기 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스에서 수신된 생체정보 데이터를 저장하고, 단말기와 연동하여 관리자용 앱 또는 PC용 프로그램으로 실시간 원격 모니터링하는 관리자용 서버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 모바일 단말기에 전용 앱 어플리케이션이 설치되어, 상기 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 및 상기 관리자용 서버와 연동하여 상기 전용 앱 어플리케이션을 통해 상기 생체정보를 화면에 표시하는 것을 특징으로 하는 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 시스템.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020220161636A KR20240078926A (ko) | 2022-11-28 | 2022-11-28 | 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 및 이를 이용한 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220161636A KR20240078926A (ko) | 2022-11-28 | 2022-11-28 | 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 및 이를 이용한 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240078926A true KR20240078926A (ko) | 2024-06-04 |
Family
ID=91466087
Family Applications (1)
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| KR1020220161636A KR20240078926A (ko) | 2022-11-28 | 2022-11-28 | 발목형 광전용적맥파 측정 디바이스 및 이를 이용한 시스템 |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090044238A (ko) | 2007-10-31 | 2009-05-07 | 한국전기연구원 | 맥파측정장치 |
| KR20090052442A (ko) | 2007-11-21 | 2009-05-26 | 엘지전자 주식회사 | 비침습 혈압측정 방법 및 장치 |
-
2022
- 2022-11-28 KR KR1020220161636A patent/KR20240078926A/ko unknown
Patent Citations (2)
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