본 연구에서는 광전용적맥파를 이용하여 요골동맥에서 맥박 및 산소포화도를 검출하였다. 반사형으로 고안된 디바이스를 이용하여 요골동맥에서의 반사광은 수신부를 통해 측정되고, 이 측정된 신호는 스위칭을 통해 각각 625nm, 940nm의 파장대역의 신호로 분리된다. 분리된 신호는 각각의 맥박신호처리회로를 통해 맥박데이터로 구현된다. 본 연구에서는 반사 방식으로 손목부근의 요골동맥을 측정하였기에 투과방식이 아닌 반사방식의 산소포화도 측정에 적합한 방법을 적용하여 결과를 얻었다. 얻어진 결과는 약 97%정도의 정확도로 산소포화도를 검출할 수 있었다. 또한, 정확한 신호를 얻기 위해서 요골동맥에 센서가 장착된 밴드를 이용하여 측정 하였으며, 고정이 되도록 압박을 하였다. 결과로서 손목밴드의 장착을 통해 움직임에 의한 측정위치에러를 방지할 수 있었으며, 이에 따른 정확도를 높일 수 있었다.
본 연구에서는 광전용적맥파를 이용하여 요골동맥에서 맥박 및 산소포화도를 검출하였다. 반사형으로 고안된 디바이스를 이용하여 요골동맥에서의 반사광은 수신부를 통해 측정되고, 이 측정된 신호는 스위칭을 통해 각각 625nm, 940nm의 파장대역의 신호로 분리된다. 분리된 신호는 각각의 맥박신호처리회로를 통해 맥박데이터로 구현된다. 본 연구에서는 반사 방식으로 손목부근의 요골동맥을 측정하였기에 투과방식이 아닌 반사방식의 산소포화도 측정에 적합한 방법을 적용하여 결과를 얻었다. 얻어진 결과는 약 97%정도의 정확도로 산소포화도를 검출할 수 있었다. 또한, 정확한 신호를 얻기 위해서 요골동맥에 센서가 장착된 밴드를 이용하여 측정 하였으며, 고정이 되도록 압박을 하였다. 결과로서 손목밴드의 장착을 통해 움직임에 의한 측정위치에러를 방지할 수 있었으며, 이에 따른 정확도를 높일 수 있었다.
In this study, the pulse of radial artery and oxygen saturation are detected using photoelectric plethysmograph method. Using our device designed reflection type, we can detect the reflected light by radial artery and by switching circuit, we can also separate to 625nm band signal and 940nm band sig...
In this study, the pulse of radial artery and oxygen saturation are detected using photoelectric plethysmograph method. Using our device designed reflection type, we can detect the reflected light by radial artery and by switching circuit, we can also separate to 625nm band signal and 940nm band signals. The separated signals are converted as a pulse data by the pulse signal processing circuit. In this study, the reflection type of oxygen saturation calculation method is applied instead of the transmission type because of the reflection type sensor is used to measure the radial artery. As a result, we can detect about 97% accuracy of the oxygen saturation compare with the conventional method. For the accurate signals, the wrist band with sensor was designed and fixed on the radial artery. As a result, this wrist band type sensor was applicable to prevent position errors from motion artifact and could increase the accuracy during the measuring.
In this study, the pulse of radial artery and oxygen saturation are detected using photoelectric plethysmograph method. Using our device designed reflection type, we can detect the reflected light by radial artery and by switching circuit, we can also separate to 625nm band signal and 940nm band signals. The separated signals are converted as a pulse data by the pulse signal processing circuit. In this study, the reflection type of oxygen saturation calculation method is applied instead of the transmission type because of the reflection type sensor is used to measure the radial artery. As a result, we can detect about 97% accuracy of the oxygen saturation compare with the conventional method. For the accurate signals, the wrist band with sensor was designed and fixed on the radial artery. As a result, this wrist band type sensor was applicable to prevent position errors from motion artifact and could increase the accuracy during the measuring.
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문제 정의
둘째, 홈 & 모바일 헬스케어(Home & Mobile Healthcare)로 만성질환환자 및 병원방문이 어려운 노인들에게 좀 더 편리하고, 시간과 장소에 구애받지 않도록 건강관리 서비스를 제공 하는데 목적을 두고 있다.
본 연구에서는 광전용적맥파를 이용하여 요골동맥의 맥박 및 산소포화도를 검출 하였다. 측정 시 사용자의 불편함을 줄이기 위하여 요골동맥의 손목에 측정부위를 설정하였고, 센서의 선택도 보다 저가형이고, 반사형의 시스템의 알맞고, 맥박 및 산소포화도 측정 시 무리가 없는 파장대역을 선택하였다.
가설 설정
투과형 에서는 IDC와 IDC+IAC 값을 얻는 기준전압은 포화전압인 5V기준으로의 포화전압을 사용해 각각의 값을 추출해 냈지만, 본 논문에서는 반사형 이므로 0V의 기준으로 IDC와 IDC+IAC 얻었다. IDC와 IDC+IAC 의 값을 얻는 기준은 맥박의 한주기 당으로 가정하고, 일반적으로 약 750ms의 단위에서 IDC값과 IDC + IAC 값을 추출해 낸다. 맥박의 한주기를 가정하고 측정한 이유는 맥박의 반주기보다 좀 더 오차에 대해서 정확한 결과를 얻게 된다는 이론 아래 설정을 하였고, 맥박의 5개의 주기를 측정하여 평균을 내어 오차율을 좀 더 줄일 수 있었다.
측정은 요골동맥의 부위에 센서를 부착하여 측정하였으며, 호흡을 제외한, 측정자의 움직임이 없다는 가정아래 측정을 하였다.
제안 방법
산소포화도의 측정에 있어서 서로 파장대역이 다른 R, NIR의 맥박구현 파장이 필요하기 때문에 LED의 전원 측에 펄스를 인가하여 신호를 분리 할 수 있도록 LED driver를 구현하였다. MCU의 CTC모드를 이용해 5V 피크치를 가진 펄스를 구현 했다. 듀티비(Duty cycle)는 5% 로서 50μs동안의 5v를 출력해내고, 다음 펄스 까지 950μs 동안 0v를 출력한다.
그림 2는 인체 조직에서의 광흡수 및 투과된 광의 세기가 동맥혈의 맥동성분에 의한 변화되고 있음을 나타내는 그림이다. 그림에서 파형의 최대 피크점을 심장수축의 최대수축기 (P)로 표시한다면 한 점 P에서 다음 P지점까지를 심장의 박동 주기로 보며 이를 맥박이라 한다, 또한, 시간에 따라 변화하는 맥박 파형을 통해 인체에 조사된 빛의 양과 흡수된 빛의 양을 관계를 나타내어 놓았다. 이때 비 맥동 성분은 DC로 표현이 되는 반면, 맥동되는 성분은 AC로 표현이 된다.
그림 4는 본 연구에서 제작된 요골동맥 산소포화도 측정 시스템 구성을 나타내었다. 먼저, MCU를 통해 두개의 LED(940nm, 625nm)의 파장에 간섭이 적어지도록 순차적으로 펄스 발생을 시켜 두 LED가 순차적으로 점등 하도록 LED Driver를 구현하였으며, 1Khz의 주파수, 1m/sec의 주기, 듀티 비(Duty cycle)는 5%이다.
산소포화도 측정에 있어서 단일 맥박 펄스(1pulse)만으로는 호흡 등의 잡음으로 인한 정확한 산소포화도 도출이 힘들기 때문에, 5개의 맥박 펄스(5pulse)로 측정을 하여 평균을 내어 그 값을 산소포화도로 나타내었다. 물론, 측정시간이 길어지면 당연히 산소포화도의 정확도도 올라가겠지만, 측정자의 산소포화도 측정시간을 줄이기 위해서 5개의 펄스로 평균을 내는 방식을 택했다.
따라서 다중 산란 영역에서 수신부(Photodiode)와 광원(LED)이 가까이 위치한다면, 측정하게 되는 값은 투과두께의 영역에서 생긴 다중산란(Multiple Scattering)과 표면 산란의 영향을 모두 포함하게 된다. 본 연구에서는 감지기가 확산된 빛만을 검출하기 위해서 광원과 감지기 사이의 이격 거리는 투과 두께보다 더 크게 만들어야 다중산란을 최소화하게 설계하였다.
본 연구에서는 통상적으로 사용되는 투과형의 손가락을 이용해 맥박을 측정하는 방법과 달리 사용자로 하여금 불편함을 줄일 수 있도록 요골동맥이 위치하는 손목부분에 맥박과 산소포화도를 측정하는 반사형의 방식을 선택 하였다.
산소포화도 측정에 있어서 단일 맥박 펄스(1pulse)만으로는 호흡 등의 잡음으로 인한 정확한 산소포화도 도출이 힘들기 때문에, 5개의 맥박 펄스(5pulse)로 측정을 하여 평균을 내어 그 값을 산소포화도로 나타내었다. 물론, 측정시간이 길어지면 당연히 산소포화도의 정확도도 올라가겠지만, 측정자의 산소포화도 측정시간을 줄이기 위해서 5개의 펄스로 평균을 내는 방식을 택했다.
산소포화도의 측정에 있어서 서로 파장대역이 다른 R, NIR의 맥박구현 파장이 필요하기 때문에 LED의 전원 측에 펄스를 인가하여 신호를 분리 할 수 있도록 LED driver를 구현하였다. MCU의 CTC모드를 이용해 5V 피크치를 가진 펄스를 구현 했다.
그림 7은 제작된 요골동맥 산소포화도 측정 시스템이다. 센서부를 따로 분리하여 보다 유리하게 요골동맥에 측정 할 수 있도록 설계하였다. 손목에 밴드형태의 센서부를 장착하여 착용자의 불편함을 줄일 수 있었고, 무게감이 덜 느껴졌고, 또한, 동잡음에 대한 잡음도 줄어들었다.
손목에 밴드형태의 센서부를 장착하여 착용자의 불편함을 줄일 수 있었고, 무게감이 덜 느껴졌고, 또한, 동잡음에 대한 잡음도 줄어들었다. 손목밴드 형태로 센서부를 장착하였고, 밴드의 압박을 통하여 센서부가 흔들리지 않도록 고정 하였다. 요골동맥이 지나가는 맥이 뛰는 손목 부분에 요골동맥을 따라 세로로 배치하였고, 가로로 배치했을 때보다 정확한 측정값을 얻을 수 있었다.
그림 5 본 연구에서의 센서와 요골동맥의 측정 거리를 보여준다. 요골동맥과 센서의 측정 거리를 2mm로 설정하였고, 센서의 배치에 있어서도 적절한 이격거리를 설정하였다. 또한 다른 광원의 유입을 최소화 할 수 있도록, 빛을 잘 흡수할 수 있는 검은색 계열의 흡수체를 사용하였다.
본 연구에서는 광전용적맥파를 이용하여 요골동맥의 맥박 및 산소포화도를 검출 하였다. 측정 시 사용자의 불편함을 줄이기 위하여 요골동맥의 손목에 측정부위를 설정하였고, 센서의 선택도 보다 저가형이고, 반사형의 시스템의 알맞고, 맥박 및 산소포화도 측정 시 무리가 없는 파장대역을 선택하였다.
진폭 비를 이용한 계산방법에서 투과형과 반사형의 기준전압의 설정이 다르다. 투과형 에서는 IDC와 IDC+IAC 값을 얻는 기준전압은 포화전압인 5V기준으로의 포화전압을 사용해 각각의 값을 추출해 냈지만, 본 논문에서는 반사형 이므로 0V의 기준으로 IDC와 IDC+IAC 얻었다. IDC와 IDC+IAC 의 값을 얻는 기준은 맥박의 한주기 당으로 가정하고, 일반적으로 약 750ms의 단위에서 IDC값과 IDC + IAC 값을 추출해 낸다.
헤모글로빈(Hb)와 산화헤모글로빈(HbO2 )사이에 빛의 흡수도의 차이가 큰 660nm의 적색광의 파장과 적색광과는 반대의 특성을 갖는 940nm의 적외광을 이용해 측정 한다.
대상 데이터
요골동맥과 센서의 측정 거리를 2mm로 설정하였고, 센서의 배치에 있어서도 적절한 이격거리를 설정하였다. 또한 다른 광원의 유입을 최소화 할 수 있도록, 빛을 잘 흡수할 수 있는 검은색 계열의 흡수체를 사용하였다.
본 연구에서는 625nm, 940nm의 LED를 이용하여 시스템을 구현 하였다. 한편, 적색광, 적외광 에서 방출되는 광파의 방향은 투사 방향에 관계하며 일반적으로 다중 산란(Multiple Scattering)이 일어난다.
성능/효과
8v정도의 Peak to Peak 값을 가진다. 또한, 맥박의 주기는 750ms정도이며 분당 약 90회의 맥박이 검출되는걸 알 수 있었다. 또한, 일반적으로 손가락 끝에서 얻어지는 파형과는 상하 반전된 형태로 신호가 얻어지는 것을 알 수 있었다.
또한, 센서를 기존의 센서보다 저가형이고, 회로설계에 유리하고, 구입이 손쉬운 센서를 선택하였고, 맥박과 산소포화도의 실시간 관리 및 컴퓨터로 데이터 전송하여 데이터를 저장 후 추후 건강진단에도 유리하도록 구현 하였다.
오차를 줄이기 위해서 맥박의 5개의 신호를 기준으로 평균을 내어 잡음을 줄일 수 있었고, 또한 사용자의 측정시간을 알맞게 적용 시킬 수 있었다. 또한, 요골동맥의 정확한 위치가 아닌 약간 벗어난 곳에서는 적외선(940nm)파장의 진폭이 작아지는 현상을 볼 수 있었는데, 이에 따라 산소포화도도 오차를 가지게 되어 정확한 요골동맥의 위치에 센싱 하는 것이 중요함을 알 수 있었다. 먼저, 요골동맥을 설정한 후, 측정 시 손목밴드의 장착을 통해 움직임에 의한 측정위치의 변화가 줄어들어 정확도를 높일 수 있었다.
IDC와 IDC+IAC 의 값을 얻는 기준은 맥박의 한주기 당으로 가정하고, 일반적으로 약 750ms의 단위에서 IDC값과 IDC + IAC 값을 추출해 낸다. 맥박의 한주기를 가정하고 측정한 이유는 맥박의 반주기보다 좀 더 오차에 대해서 정확한 결과를 얻게 된다는 이론 아래 설정을 하였고, 맥박의 5개의 주기를 측정하여 평균을 내어 오차율을 좀 더 줄일 수 있었다.
또한, 요골동맥의 정확한 위치가 아닌 약간 벗어난 곳에서는 적외선(940nm)파장의 진폭이 작아지는 현상을 볼 수 있었는데, 이에 따라 산소포화도도 오차를 가지게 되어 정확한 요골동맥의 위치에 센싱 하는 것이 중요함을 알 수 있었다. 먼저, 요골동맥을 설정한 후, 측정 시 손목밴드의 장착을 통해 움직임에 의한 측정위치의 변화가 줄어들어 정확도를 높일 수 있었다.
센서부를 따로 분리하여 보다 유리하게 요골동맥에 측정 할 수 있도록 설계하였다. 손목에 밴드형태의 센서부를 장착하여 착용자의 불편함을 줄일 수 있었고, 무게감이 덜 느껴졌고, 또한, 동잡음에 대한 잡음도 줄어들었다. 손목밴드 형태로 센서부를 장착하였고, 밴드의 압박을 통하여 센서부가 흔들리지 않도록 고정 하였다.
오차를 줄이기 위해서 맥박의 5개의 신호를 기준으로 평균을 내어 잡음을 줄일 수 있었고, 또한 사용자의 측정시간을 알맞게 적용 시킬 수 있었다. 또한, 요골동맥의 정확한 위치가 아닌 약간 벗어난 곳에서는 적외선(940nm)파장의 진폭이 작아지는 현상을 볼 수 있었는데, 이에 따라 산소포화도도 오차를 가지게 되어 정확한 요골동맥의 위치에 센싱 하는 것이 중요함을 알 수 있었다.
그림 13은 요골동맥에서의 센서위치에 따른 결과 비교한 것이다. 요골동맥(손목)을 측정 시 동맥이 지나가는 위치에 정확히 측정한 파형은 A와 같이 나타나고, 요골동맥(손목)의 동맥을 약간 벗어난 위치에서 측정할 경우 B와 같이 적외선에 의한 파형의 진폭이 작아지는 현상을 발견할 수 있었다. 본 연구에서 사용한 맥박의 진폭의 비를 가지고 산소포화도를 측정하는 시스템에서는 요골동맥의 정확한 위치를 선정하여 측정하는 것이 매우 중요하다고 하겠다.
손목밴드 형태로 센서부를 장착하였고, 밴드의 압박을 통하여 센서부가 흔들리지 않도록 고정 하였다. 요골동맥이 지나가는 맥이 뛰는 손목 부분에 요골동맥을 따라 세로로 배치하였고, 가로로 배치했을 때보다 정확한 측정값을 얻을 수 있었다.
후속연구
향후, 본 연구를 기반으로 산소포화도 측정뿐 만 아니라, 산소포화도 감소에 따른 호흡량의 측정, 무호흡 측정, 수면 무호흡에 대한 측정이 가능할 것으로 여겨지고, 또한, 시계부근의 커프(cuff)형태의 압박을 통한 맥박 측정이 아닌, 광을 이용한 측정방식으로 사용자에게 손목의 압박부담을 줄일 수 있는 디바이스 구성도 가능 할 것이고, 맥박 및 산소포화도 데이터를 핸드폰을 통해 맥박을 실시간으로 전송해 U-Health 시스템으로 구현 가능 할 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인체에서 측정할 수 있는 생체 정보로는 무엇이 있는가?
한편, 인체에서 측정할 수 있는 생체 정보로는 호흡, 체온, 심전도, 혈압, 혈중산소포화도, 맥파, 움직임에 대한 신호, 피부저항, 뇌파, 근전도, 폐음, 심음 등의 매우 다양한 형태의 신호가 있으며, 이러한 생체 정보들은 소형의 전위센서, 압력센서, 온도센서, 가속도센서, 광센서, 음향센서 등을 통하여 측정이 가능하다. 이러한 생체 정보들은 손목형의 기기, 착용(Wearable) 기기, 휴대형(Mobile) 기기, Health Smart 의복, Health Smart 홈 등의 단말기를 통하여 수집되고, 분석이 된다[6].
혈중산소포화도는 무엇을 바탕으로 측정하는가?
혈중산소포화도는 기본적으로는 Beer - Lambert 법칙을 바탕으로 측정하고 신호처리를 하고 있다. 즉, 광원을 이용하여 특정한 파장에서 인체에 조사된 입사광 세기에 대한 투과광 세기의 비로 조직 내에 흡수된 광량을 계산하여 적용하고 있다.
U-Healthcare 서비스는 어떻게 분류할 수 있는가?
U-Healthcare 서비스는 크게 3가지 서비스로 분류를 할 수 있다. 첫째는, U-hospital 로, 환자가 병원에 직접 가지 않고, 의사에게 진단 및 처방을 받을 수 있고, 질병의 예방 및 병원측에선 환자관리의 효율성을 높일 수 있다.
둘째, 홈 & 모바일 헬스케어(Home & Mobile Healthcare)로 만성질환환자 및 병원방문이 어려운 노인들에게 좀 더 편리하고, 시간과 장소에 구애받지 않도록 건강관리 서비스를 제공 하는데 목적을 두고 있다.
셋째, 웰니스(Wellness)로, 일반인의 건강 유지와 향상에 초점을 둔 서비스이다[1][2][3].
참고문헌 (16)
정병주, "유비쿼터스사회의의료？보건비즈니스 트렌드," 한국전산원, 2006년.
손미숙, "u-Health 서비스 지원을 위한 웨어러블 시스템," 전자통신동향분석, 제21권, 제3호, 117-122쪽, 2006년06월
S. Helal, B. Winkler, C. Lee, Y. Kaddoura, C. Giraldo, S. Kuchibhotla, and W. Mann, "Enabling location-aware pervasive computing applications for the elderly," Proceedings of the First IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communication, pp. 531-536, Mar, 2003.
김경호, 이정환, 양희경, "의용기기개론," 문운당, 102-103쪽, 2007년.
이동훈, 고희창, 김경호, "요골동맥 맥파 측정 시스템," 한국컴퓨터정보학회 40차 학술대회 논문집, 제 17권, 제 1호, 21쪽, 2009년 06월.
J.W. Severringhaus and Y. Honda, "History of blood gas analysis. VII. Pulse oximetry," Journal of Clinical Monitoring and Computing, Vol. 3, No. 2, pp. 135-138, Apl. 1987.
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