[논문]광센서와 압력센서를 이용한 맥박측정시스템 개발

최영숙; 김경재; 홍우헌; 류정탁

doi:10.9723/jksiis.2009.14.5.149

광센서와 압력센서를 이용한 맥박측정시스템 개발
Development of Blood Pressure Measuring System using piezoelectric and photo sensor 원문보기

한국산업정보학회논문지 = Journal of the Korea Industrial Information Systems Research, v.14 no.5, 2009년, pp.149 - 154

최영숙 (대구대학교 전자공학과) , 김경재 (대구대학교 전자공학과 전자시스템공학) , 홍우헌 (대구대학교 전자공학과 전자시스템공학) , 류정탁 (대구대학교 전자공학부)

초록
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사람들의 평균 수명이 늘어남으로써 건강에 대한 관심도가 매우 높아지고 있다. 그에 따라 사람들은 자신의 몸 상태를 체크하며 주기적으로 자신의 건강상태를 확인하기 위해 정기검진을 받는다. 그러나 평소 자신의 맥박이나 혈압의 체크를 통하여 건강관리 및 질병예방이 가능하다. 따라서 본 논문에서는 간편하게 얻을 수 있으면서도 기본적이고 유용한 정보를 많이 가지고 있는 맥박신호를 혈액량에 따라 투과율의 변화를 측정할 수 있는 광센서를 이용한 방법과 압전 센서를 사용하여 손목의 요골동맥의 압력을 측정하여 맥박을 측정할 수 있는 휴대용 맥박측정 시스템을 구현하였으며 두 방법으로 제작된 시스템을 비교연구 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

By increasing people's average life span, interest for health is highly growing. According to hoping to check their body condition, people have a medical checkup periodically to check their condition. But, they can prevent disease or are able to make a health care through checking people's pulse or blood pressure. In this paper, two different pulse measurement systems were developed, one system using a photosensor which is able to measure transmissivity's change through blood volume and another system using a piezo-electric sensor which can measure pulse when it measures radial artery's pressure in the wrist are realized. We compared two systems each other.

주제어

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가설 설정

그림 6(a) 신호는 센서에서 나오는 출력신호로 기준전압 0V에서 아래로 20mV 사이의 변화를 보이는데 출력되는 신호에 잡음이 포함되어 있다. 따라서 그림 5에서 ①번과 ②번 Op-Amp의 필터링 회로와 버퍼 회로를 거치게 되면 잡음이 감소된 그림 6(b) 신호가 출력된다. 이 신호는 그림 6(a) 신호에 비해 맥박 신호를 구분하기 쉽다.

제안 방법

CdS센서 측정방법과 압전센서 측정방법의 실험자는 동일인물이며, Cds셀로 측정을 하고 며칠 후 다시 압전센서로 측정을 하였다. 또한 1 회 측정 후 10분 휴식 후 다시 측정을 하였다.
광센서에서 나오는 신호는 10 ~ 40mV 사이의 변화를 보이는데, 외란광의 영향으로 잡음이 포함되어 있기 때문에 그림 3과 같이 CdS셀의 출력 신호를 MCU에서 사용할 수 있도록 하는 필터링 회로와 비교기 회로를 구현하였다.
다음으로 압전센서를 이용하여 맥박측정 시스템을 구현하였다. 압전센서에서 출력되는 신호는 소신호로 MCU에 입력신호로 사용되기 위해서 LM358을 이용한 필터링과 신호증폭 및 비교기 회로를 거쳐야 한다.
먼저 광센서를 이용하여 맥박측정 시스템을 구현하였다. 광센서에서 나오는 신호는 10 ~ 40mV 사이의 변화를 보이는데, 외란광의 영향으로 잡음이 포함되어 있기 때문에 그림 3과 같이 CdS셀의 출력 신호를 MCU에서 사용할 수 있도록 하는 필터링 회로와 비교기 회로를 구현하였다.
본 논문에서는 간편하게 얻을 수 있으면서도 기본적이고 유용한 정보를 많이 가지고 있는 맥박 신호를 혈액량에 따라 투과율의 변화를 측정할 수 있는 광센서를 이용한 방법 [3]과 압전 센서를 사용하여 손목의 요골동맥의 압력을 측정하여 맥박을 측정할 수 있는 간이형 맥박측정시스템을 구현하였으며 두 방법으로 제작된 시스템을 비교연구 하였다.
우리는 두 가지방법의 맥박측정 시스템을 구현하였고 실험 및 비교 연구하였다. 첫 번째는 Cds셀을 이용한 측정방법으로 발광부로 고휘도 LED를 이용하고 수광부로 Cds셀을 이용하여 측정한 방법이다.
여기서 6을 곱하는 이유는 실험자가 같은 자세로 1분을 유지하는 것이 힘이 들고 io초 동안에 측정한 맥박 수는 1분 후의 맥박수와 크게 다르지 않기 때문이다. 이를 확인하기 위하여 직접 손으로 1분 동안 4명의 동일 실험자들을 대상으로 맥박을 측정하였다. 그 결과 값을 표 3과 그림 9에 나타내었다.
실험 및 비교 연구하였다. 첫 번째는 Cds셀을 이용한 측정방법으로 발광부로 고휘도 LED를 이용하고 수광부로 Cds셀을 이용하여 측정한 방법이다. 두 번째는 압전센서를 이용하여 손목의 요골동맥이 팽창 또는 수죽할 때의 진동을 이용한 방법이다.
또한 1 회 측정 후 10분 휴식 후 다시 측정을 하였다. 측정 시 실험자가 편안한 자세에서 평상시의 호흡 상태에서 실시하였다.

성능/효과

CdS 센서를 이용한 측정 방법에서는 최고 11.8%에서 최저 3.3%까지의 오차율을 보였다. 이 오차율은 우리가 구현한 시스템의 하드웨어의 구성에 있어서 손가락을 고정시킨 것이 아닌 손가락을 얹고 있는 형태로 만들었기 때문에 발생하게 된다.
그 결과 값을 표 3과 그림 9에 나타내었다. 앞에서 측정한 10초 동안 맥박에 6을 곱해준 맥박수의 평균과 1분 동안 측정한 맥박수의 평균을 비교하였을 때 크게 다르지 않다는 것을 알 수 있었다.

후속연구

이 오차율은 우리가 구현한 시스템의 하드웨어의 구성에 있어서 손가락을 고정시킨 것이 아닌 손가락을 얹고 있는 형태로 만들었기 때문에 발생하게 된다. 따라서 손가락을 고정시킬 수 있도록 하드웨어를 개선한다면 오차율이 낮은 데이터 값을 얻을 수 있을 것이다. 또한 맥박의 측정 방법이 일정 시간을 정하고 비교기를 통해 일정 전압이 들어 왔을 때 맥막을 인식하는 방식을 사용하였기에 다소 정밀감이 떨어질 수 있다.
또한 맥박의 측정 방법이 일정 시간을 정하고 비교기를 통해 일정 전압이 들어 왔을 때 맥막을 인식하는 방식을 사용하였기에 다소 정밀감이 떨어질 수 있다. 향후 이 문제는 주파수 변환 방식으로 시스템을 개발하게 되면 해결될 것으로 예상된다.

참고문헌 (7)

식품의약품안정청, 트랜스지방분석법, 2006. 11.20
김청월, 구본주, 김종성, "자기 임피던스 센서를 이용한 맥박 측정 장치" J. of the Korean Sensors Society, Vol. 15, No.2, pp. 77-83, 2006.

원문보기 상세보기
Spigulis, J., "Optical noninvasive monitoring of skin blood pulsations", Appl. Opt., Vol. 44, No. 10, pp.1850-1857, 2005.

상세보기
조정현, 이의진, 김상오, 윤길원, 정동근, "Photo - plethysmography를 이용한 맥박과 PTT 측정" 한국광학회 하계학술발표대회논문집, pp.304-305, 2005. 7.
서장원, "Blood Pressure Measurement and ABP Monitoring", 대한신장학회지, pp.432-437, 2005. 10.
정동근, 김광년, 연규선, 최병철, 서덕준, "광전용석맥파를 이용한 요골동맥 맥박 검출", Korean Journal of Life Science, Vo.l. 13. No. 1. pp. 42-46, 2003.

원문보기 상세보기
Alien, J., "Photoplethysmography and its application In clinical physiological measurement", Physiological Measurement, Vol. 28, No. 3, pp.R1-R39, 2007.

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