[논문]PPG 측정신호로부터의 심박 검출 성능 향상에 관한 연구

최규식; 최동혁; 장윤승; 양계탁

PPG 측정신호로부터의 심박 검출 성능 향상에 관한 연구
A Study on the Performance Improvement of the HRV Detection from PPG Signals 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.13 no.6 = no.39, 2009년, pp.926 - 932

최규식 (건양대학교 의공학과) , 최동혁 (건양대학교 의공학과) , 장윤승 (건양대학교 의공학과) , 양계탁 (건양대학교 정보보호학과)

초록
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건강에 관한 헬스케어기구 중에서 전신아마기의 보급이 급속도로 증가되고 있다. 현대인의 스트레스를 해소하기 위해 사용하는 이러한 전신안마기 사용시 PPG를 이용하여 HRV 신호를 측정하여 스트레스의 이완 정도를 판단하는 것이 중요하다. 그런데 이 경우 안마기에 의해서 피실험자가 움직이는 상태에서 측정이 이루어지므로 HRV의 측정신호에 동잡음이 개입된다. 본 논문에서는 이러한 복합신호에서 신호처리에 의해서 동잡음을 효과적으로 제거하여 원하는 HRV를 측정하여 분석하는 방법을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The whole-body massager among healthcare devices is under being popularized in a large scale as times goes by. It is critical to measure, analyze and judge the stress relaxsation trend from HRV signal using PPG in case of massager operation with such relaxsation device for removing stress of human being. There may be artifact in HRV measured signal because the measured object is under shaking with that massager in this case. We present the methodology to remove such artifact from those measured HRV signal, and then measure and analyze the desired HRV successfully in this paper.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 전신안마기를 사용하는 중에 PPG를 이용하여 HRV를 측정하여 이 중 필수적으로 개입되는 동잡음을 제거하여 원래 원하는 HRV 신호를 구현하고자 한다. 제2항에서는 인체의 스트레스를 평가할 수 있는 확실한 방법으로 생각되는 심박률을 검토하기 위한 조건을 제시하였으며, 제3항에서는 PPG를 이용하여 심박률을 검출, 이의신뢰도를 높이기 위한 방안을 강구한다.
본 논문에서는 건강보조기기인 전신안마기를 이용하여 정상인이 안마 중에 겪게 되는 안마 중의 스트레스의 이완 상태 변화를 측정하여 건강상태를 판단하고자 한다. 연구대상으로 하는 전신안마기의 경우 안마중 피실험자의 HRV를 측정하여 스트레스를 분석하는 방법으로서 이의 방법으로는 PPG를 이용하여 안마중의 스트레스를 측정하여 피실험자의 건강상태를 진단하는 것이다.

제안 방법

11명의 실험자 전원에 대해서 운동이나 공부와 같은 긴장 상태 후에 전신안마기로 안마를 받아가면서 긴장상태 및 스트레스 상태에서 점차 편안한 상태로 천이하면서 이와 관련된 심박을 기록하였다.
HR 검출도의 정확도를 판단하기 위해 사람이 판단한 생체 신호 피크와 프로그램이 자동 검출한 피크를 자동으로 비교하는 프로그램을 구현하였다. 이 프로그램은 사람이 판단한 피크의 추가, 삭제, 수정을 할 수 있는 편집기능과 자동 비교 기능을 가지고 있으며, 이 프로그램으로 비교한 결과 안마 중 취득한 PPG 신호로부터 HRV를 검출한 정확도는 평균 98.
HRV 측정을 위해 심장호흡신호와 인공신경망을 사용하고 있지만 복잡한 알고리즘으로 필터링, 신호 재구성 또는 동잡음제거를 하는 것이 아니라 대신 동 잡음을 신호와 관계된 정보로 취급하였다.
본 연구에서는 적응적 신호 크기 조정에 의해 측정 피부의 접촉저항이 달라져서 PPG 신호의 레벨이 달라져서 측정신호가 변하는 변동성을 해결하였으며, PPG의 피크 모양이 둥근 형태여서 기계 진동이나 다른 잡음 영향을 많이 받는 동잡음 문제를 해결하기 위해 이동 평균 처리방법을 시용하였다. PPG 신호의 피크가 심장 박동에 따른 주기성을 갖기 때문에 내재된 주기성을 히스토그램에 의한 통계적 방법으로 찾은 다음, 이 주기성을 PPG 신호의 피크 위치 제약으로 사용하여 이 위치 제약을 만족하는 피크를 검출하였다.
본 연구에서는 PPG 신호의 레벨이 측정 손가락 피부의 두께나 자세에 따라 피부저항이 달라져서 측정신호가 변하는 변동성을 적응적 신호 크기 조정에 의해 해결하였으며, PPG의 피크 모양이 둥근 형태여서 기계 진동이나 다른 잡음 영향을 많이 받는 문제를 해결하기 위해 이동 평균 처리를 한 후 피크를 검출하였다. PPG 신호의 피크가 심장 박동에 따른 주기성을 갖는다는 데에 착안하여 그림 3의 흐름도에 의해서 내재된 주기성을 히스토그램에 의한 통계적 방법으로 찾은 다음, 이 주기성을 PPG 신호의 피크 위치 제약으로 사용하여 이 위치 제약을 만족하는 경우 피크로 검출한다.
두번째에서 구한 피크 간격들의 히스토그램을 구하고 이중 최대값을 가지는 간격이 현재 피크의 주기가 된다. 다음 이 주기성을 PPG 신호의 피크 위치 제약으로 사용하여 이 위치 제약을 만족하는 피크만 검출한다. 그림에서 현재 피크 후보점 좌/우의 위치 제약 영역이 있으며, 이 위치 제약 영역 안에 다른 피크 후보점이 있어야 한다.
또한 동잡음을 제거하기 위해서는 3축 가속도계를 이용하여 신체의 움직임을 측정하여 왜곡된 신호와의 상관관계를 살펴보고 최소 평균자승법(least mean square ; LMS) 적응필터를 적용한 능동잡음 제거 방식을 이용하여 움직임에 의한 동잡음이 낀 생체 신호 왜곡 현상을 보상하였다. 왜곡된 신호의 복원 정도를 알기 위해 전신안마기의 동작을 반복해본 결과 제안된 방법은 PPG의 주기보다 높은 주파수의 동잡음 제거에 효과적이고, 팔의 움직임 등의 낮는 주파수에 대한 주기 검출에 우수한 성능을 가짐을 확인했다.
이러한 진동 및 동잡음은 PPG로부터 정확한 심박을 검출하기 위해 반드시 극복되어야 한다. 본 연구에서는 PPG 신호의 레벨이 측정 손가락 피부의 두께나 자세에 따라 피부저항이 달라져서 측정신호가 변하는 변동성을 적응적 신호 크기 조정에 의해 해결하였으며, PPG의 피크 모양이 둥근 형태여서 기계 진동이나 다른 잡음 영향을 많이 받는 문제를 해결하기 위해 이동 평균 처리를 한 후 피크를 검출하였다. PPG 신호의 피크가 심장 박동에 따른 주기성을 갖는다는 데에 착안하여 그림 3의 흐름도에 의해서 내재된 주기성을 히스토그램에 의한 통계적 방법으로 찾은 다음, 이 주기성을 PPG 신호의 피크 위치 제약으로 사용하여 이 위치 제약을 만족하는 경우 피크로 검출한다.
본 연구에서는 적응적 신호 크기 조정에 의해 측정 피부의 접촉저항이 달라져서 PPG 신호의 레벨이 달라져서 측정신호가 변하는 변동성을 해결하였으며, PPG의 피크 모양이 둥근 형태여서 기계 진동이나 다른 잡음 영향을 많이 받는 동잡음 문제를 해결하기 위해 이동 평균 처리방법을 시용하였다. PPG 신호의 피크가 심장 박동에 따른 주기성을 갖기 때문에 내재된 주기성을 히스토그램에 의한 통계적 방법으로 찾은 다음, 이 주기성을 PPG 신호의 피크 위치 제약으로 사용하여 이 위치 제약을 만족하는 피크를 검출하였다.
제2항에서는 인체의 스트레스를 평가할 수 있는 확실한 방법으로 생각되는 심박률을 검토하기 위한 조건을 제시하였으며, 제3항에서는 PPG를 이용하여 심박률을 검출, 이의신뢰도를 높이기 위한 방안을 강구한다. 제4항에서는 HRV 검출을 검증하기 위한 프로그램을 구현하여 본 논문에서 제시한 심뢰도 향상 방법에 대한 검증을 하였다.

대상 데이터

실험대상으로 한 사람들은 건양대학교 의공학과에 재학중인 대학생들로부터 시작하여 그 외에 나이 많은 사람까지 비교적 건강한 11명의 사람들이었으며, 실험의 목적을 사전에 충분히 설명하여 양해를 구하고 시작하였다.

이론/모형

심박률을 측정하기 위한 방법으로서 PPG를 이용하였다. 포토-플레시모그래피(potoplethysmography)라고 불리는 PPG는 일반적으로 소정 개수의 LED와 광검출기를 이용하여 심장박동에 관련된 정보를 추출하는 방법이다.

성능/효과

는 주기로서 현재 피크와 이전 피크 간 시간 간격(단위:초)이다. 본 PPG 심박 검출 방법은 적응적 신호 크기 조정에 의해서 자동으로 신호 크기를 조정하여 PPG 신호의 크기가 측정 손가락 피부의 두께나 자세에 따라 변하는 변동성을 극복하였으며, 이동 평균 처리에 의한 잡음 제거에 의해 PPG의 피크 모양이 둥근 형태로 기계 진동이나 다른 잡음 영향을 많이 받는 문제를 해결하였다.
또한 동잡음을 제거하기 위해서는 3축 가속도계를 이용하여 신체의 움직임을 측정하여 왜곡된 신호와의 상관관계를 살펴보고 최소 평균자승법(least mean square ; LMS) 적응필터를 적용한 능동잡음 제거 방식을 이용하여 움직임에 의한 동잡음이 낀 생체 신호 왜곡 현상을 보상하였다. 왜곡된 신호의 복원 정도를 알기 위해 전신안마기의 동작을 반복해본 결과 제안된 방법은 PPG의 주기보다 높은 주파수의 동잡음 제거에 효과적이고, 팔의 움직임 등의 낮는 주파수에 대한 주기 검출에 우수한 성능을 가짐을 확인했다.
왜곡된 신호의 복원 정도를 알기 위해 전신안마기의 동작을 반복해본 결과 제안된 방법은 PPG의 주기보다 높은 주파수의 동잡음 제거에 효과적이고, 팔의 움직임 등의 낮은 주파수에 대한 주기 검출에 우수한 성능을 가짐을 확인했다.
HR 검출도의 정확도를 판단하기 위해 사람이 판단한 생체 신호 피크와 프로그램이 자동 검출한 피크를 자동으로 비교하는 프로그램을 구현하였다. 이 프로그램은 사람이 판단한 피크의 추가, 삭제, 수정을 할 수 있는 편집기능과 자동 비교 기능을 가지고 있으며, 이 프로그램으로 비교한 결과 안마 중 취득한 PPG 신호로부터 HRV를 검출한 정확도는 평균 98.9%이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인체의 스트레스를 분석하는 기법이란 어떠한 방법입니까?	인체의 이러한 건강상태를 판단하는 하나의 방법으로서 인체의 스트레스를 분석하는 기법이 있다. 그 기법은 심박률변동(heart rate variability ; HRV), 뇌전도(electroencephalogram ; EEG) 등과 같은 생체정보 측정방법이다. 그런데 EEG는 머리 표면에 10-20 시스템의 뇌전도용 전극을 붙이고 매우 약한 전기적인 복합신호를 측정하는 것으로서 이것들은 1929에 버거(Hans Berger)에 의해 처음으로 관찰된 후 이 신호들을 임상적, 생리학적, 심리학적으로 이용하기 위해 많은 연구들이 행해졌지만, 아직도 밝혀내지 못한 부분들이 많다.
	PPG를 이용한 심박검출이 심전도(ECG)방법보다 우수한 점은 무엇입니까?	포토-플레시모그래피(potoplethysmography)라고 불리는 PPG는 일반적으로 소정 개수의 LED와 광검출기를 이용하여 심장박동에 관련된 정보를 추출하는 방법이다. PPG를 이용한 심박검출은 간단한 센서모듈로 신체와의 단 하나의 접촉점을 통해 측정될 수 있기 때문에 2개 이상의 전극을 부착해야 하는 심전도(electrocardiogram ; ECG)를 이용하는 방법에 비하여 사용자에게 불편함을 주지 않는다. 이는 피부의 광학적 특성을 이용하여 혈관에 흐르는 혈류량을 측정함으로써 심박 활동 상태를 알 수 있는 방법으로서 비침습적이고, 센서의 크기가 작으며, 부착위치가 용이하다는 등의 장점으로 인해 특히 많이 쓰이고 있다. PPG의 원리는 심장박동으로 인해 혈관의 용적이 변할 때 광원을 신체에 발광하면 생체 조직은 빛의 일부를 반사 및 투과하는 특성이 있어 혈관 용적 변화에 따른 빛의 감광량의 변화를 광 센서에서 감지하여 맥박을 측정하는 것이다.
	PPG란 무엇입니까?	심박률을 측정하기 위한 방법으로서 PPG를 이용하였다. 포토-플레시모그래피(potoplethysmography)라고 불리는 PPG는 일반적으로 소정 개수의 LED와 광검출기를 이용하여 심장박동에 관련된 정보를 추출하는 방법이다. PPG를 이용한 심박검출은 간단한 센서모듈로 신체와의 단 하나의 접촉점을 통해 측정될 수 있기 때문에 2개 이상의 전극을 부착해야 하는 심전도(electrocardiogram ; ECG)를 이용하는 방법에 비하여 사용자에게 불편함을 주지 않는다.

참고문헌 (8)

T.Penzel, Jan W. Kantelhardt, L. Grote, J-H Peter, A. Bunde, "Comparison of Detrended Fluctuation Analysis and Spectral Analysis for Heart Rate Variability in Sleep and Sleep Apnea", IEEE Trans on Bio Eng, vol. 50, no.10, pp1143-1151, 2003.10

상세보기
Robert L. Burr, "Interpretation of Normalized Spectral Heart Rate Variability Indices In Sleep Research : A Critical Review", Sleep, vol. 30, no.7, pp913-919, 2007

상세보기
Emilio Vanoli, Philip B. Adamson, Ba-Lin, Gian D. Pinna, Ralph Lazzara, William C. Orr, "Heart Rate Variability During Specific Sleep Stages", American Heart Rale Association, Inc. pp19l8-1922, 1995
Task Force of The European Society of Cardiology and The North American Society of Pacing and Electrophysiology, "Heart Rate Variability", American Heart Association. Inc. vol.17, pp 354-381, 1996
정동근, 김광년, 연규선, 최병철, 서덕준, "광전용 적맥파를 이용한 요골동맥 맥파검출", Korean Journal of Life Science, vol.13, no.1. pp42-46, 2003

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서광석, 김정수, 안원식, 박광식, 김현정, 염광원, 구의경, "상하지 광체적 파형의 진폭과 맥파전도 시간을 이용한 지속적 동맥혈압 추정", 대한마취과학회, vol.53, no.2, pp159-168, 2007.8
김성우, 이주형, 남기창, 김수찬, 차은종, 김덕원,"PPG 2차미분을 이용한 정상인과 당뇨병환자의 말초혈관 탄성도 비교", 전자공학회, vol.44, no.4, pp250-255, 2007.7
김진태, 김성우, 홍현기, 임재중, 김덕원, "PPG를 이용한 당뇨병환자의 국부질환의 조기진단 시스템 개발", 전자공학회, vol.43, no.3, pp151-157. 2006.5

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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