[논문]하모닉 신호와 적응 필터를 이용한 휴대형 심박수 측정 장치 설계

이주원

doi:10.6109/jkiice.2010.14.3.723

문제 정의

이 러한PPG 신호의 심박수 또는 산소포화도 및 맥파를 정확하게 추출하기 위해 여 러가지 필터링 기법을 다양하게 연구하고 있으나 위상 변화로 인해 정확한심박수추출에 있어 한계를초래하고있다[6][7]. 따라서 본 연구에서는 동잡음 환경에서도보다 정확한 환자 심박수 측정을, 위해 최소/최대 심박수(30~300[bpm]) 측정 범위 이외의 주파수 대역에 존재하는 잡음의 하모닉 신호를 저 역통과 필터와 고역통과필터로 추출하고 추출된 잡음의 하모닉 신호를 토대로적응필터로 동잡음을 제거 하는 알고리즘을 제안하고, 이 알고리즘을 적용한 심 박수 측정 기 의 설계 방법을 제안한다.
본 연구에서는 간호 업무량의 감소를 위해 휴대형의 심박수측정 장치의 설계 기법과 심박수측정 알고리즘을 제안하고, 실험 으로 그 성능을 평 가하였다. 실험의 결과와 같이 심박수 측정에 있어 제안된 기법이동잡음(손가락 떨림, 환자의 움직임) 환경에서도 보다정확한 심박수측정이 가능함을 보였다.

가설 설정

따라서 동잡음의 영향에서도 보다 정확한 심박수 측정을위하여 본 연구에서는 모든 신호는 하모닉스 신호 (harmonics signal)가 존재한다[8]는 가정 하에 심박수 주파수 대역(0.5~5[田]) 중 심박 주파수 에너지가 최소인대역에서 동잡음의 하모닉 신호를 추출하고 이 추출된동잡음 하모닉 신호를 기반으로 적응필터링을 이용하여 동잡음을 제거 하는 알고리즘을 제 안한다. 제안된 알고리즘의 처리 순서는 먼저 아날로그 회로에서 증폭한 PPG 신호에 포함된 직 류성분을 제거하기 위해 식(1)과같이 10차 버터워스(butterworth) 형태의 IIR 대역통과필 터 (0.

제안 방법

PPG 신호 샘플링 은 마이 크컨트롤러 에 내장된내부 기준 전압 2.56[V]의 lObitAD변환기를 이용하여 10[ms] 간격으로 타이머 인터럽트를 발생하여 신호처리를 하였다. 구현된 휴대형 심박수 측정기의 성능을분석 하기 위해 왼손 손가락에 ppg 신호 증폭기 부착하여 움직 임이 없게 하고, 다른 오른손의 손가락에는 본연구에서 구현된 심박수 측정기를 착용하여 오른손 손가락을 임 의 의 주기 로 상하로 움직 일 때와 손목을 자유롭게 움직 이게 하여 심박수 측정기에서 PPG 신호와심박수 등을 신호 처리한 결과를 비동기 직렬통신의 19200[bps] 통신 속도로 수신하여 그림 4와 그림 5에 나타내었다.
56[V]의 lObitAD변환기를 이용하여 10[ms] 간격으로 타이머 인터럽트를 발생하여 신호처리를 하였다. 구현된 휴대형 심박수 측정기의 성능을분석 하기 위해 왼손 손가락에 ppg 신호 증폭기 부착하여 움직 임이 없게 하고, 다른 오른손의 손가락에는 본연구에서 구현된 심박수 측정기를 착용하여 오른손 손가락을 임 의 의 주기 로 상하로 움직 일 때와 손목을 자유롭게 움직 이게 하여 심박수 측정기에서 PPG 신호와심박수 등을 신호 처리한 결과를 비동기 직렬통신의 19200[bps] 통신 속도로 수신하여 그림 4와 그림 5에 나타내었다.
5)하는 회로를 설계하였다. 그리 고 직 류성 분과0.가lz이 하의 동잡음을 제거 하기 위해 1차 고역 통과 필터(HPF)와 10Hz의 1차 저 역 통과필터(LPF)를 이용하여 설계하였으며, 설계된 회로는 그림 2와 같다. 이 센서회로의 출력 신호는 마이크컨트롤러 ATme-gal6L의 ADC 변환기로 입력되게 하였다.
그리고 동잡음 신호의 하모닉 신호를 추출하기 위 해식(1)과 동일하게 0.8[Hz]의 차단주파수와 2[Hz] 차단주파수를 갖는 10차 버터워스 IIR 필터 구조의 저역 통과필터와 고역 통과 필터 처리 하였다. 이 필터의 출력 신호(伐(n), 枷(4))들을 합성(如(n), 식(2))하여 적응 필터의 잡음 기준신호로 사용하였다.
그리고 심박수 측정은 식⑺의 출력으로부터 PPG 신호의 현재 최대점 7Rp(n)과 이전 최대점 me(n — l) 차를구하여 측정하였다.
동잡음 환경에서도 심박수 측정의 정확성을 분석하기 위해 일반적으로 의료기기에 많이 적용되고 있는 이동평균필터 기법과 성능을 비교 분석하였고, 실험은정상인(10명)을 대상으로 60초씩 10회 측정하였으며, 실험 방법은 왼손 손가락을움직 임이 없게 고정하여 심박수 측정(REF)하고 오른손 손가락에 구현된 측정기를 장착하여 시험하였다. 실험에서 손가락과 손목의움직 임으로부터 동잡음이 발생할 경우, 기준값과 이동평 균 방법(MA), 제안된 방법(PM) 간의 심박수 오차를비교 분석하였으며, 실험에서 나타난 대표적인 결과를그림 5에 나타내었다.
본 연구는 동잡음 환경에서도 신뢰성이 높은 심박수를측정하기 위해 적응필터를이용한심박주기 추출 알고리즘을 마이크로컨트롤러Atmega 16L의 펌웨어로 프로그램밍 하였다.그리고측정 결과는 1.
본 연구에서 제안하고설계한휴대형 심박수측정기를 그림 3과 같이 하드웨어로 구현하여 그 성능을 분석하였다. PPG 신호 샘플링 은 마이 크컨트롤러 에 내장된내부 기준 전압 2.
) 함수는 PPG 신호의 최대값이있는 샘플번호를 추출하는 함수이고, 식(9)의 7}는 샘플링 시간이다. 본 연구에서는 샘플링 주파수를 100[Hz]로설정하여 시스템을 구현하였다.
PPG 신호 검출 방식은 적색 파장을 발광하고 말초혈관의 혈류량에 의해 반사되어 돌아오는 빛의 양을 수광 센서에서 측정하는 방식으로 구성하였다. 세 부 적 으로 다루면, 적 색 광 LED와 포토 수광 센서는손가락 지문부분에 위치 하게 하고동맥의 혈류량의변화에 의한 광량을 센싱 하여 PPG 신호를 검출하게 하였다. 특히, PPG 측정 신뢰도를 높이기 위해 측정된 660nm 파장의 전압 값을 연산증폭기 (LM324)를 이용하여 전압 증폭(이득 G= 24.
이 센서회로의 출력 신호는 마이크컨트롤러 ATme-gal6L의 ADC 변환기로 입력되게 하였다. 외부 광원으로부터 의 영향을 최소화하기 위해 광센서의 주변을 백 색 재 질로 적층하여 주변광을 차단하도록하였다.
0001, 필터 차수를 10차로설정하여 필터링하게 하였다. 적응 필터의 출력 g(n) 으로부터 심박수를 측정하기위해 必如)에 포함된 고주파 잡음을 제 거하기 위해 식 ⑹과 같이 이동 평균 필터(K=20) 처리를 하였으며, 맥파 신호의 최대값 검출을 위해 필터 차수가 R=2K인 이동평균 필터를 이용하여 적응 역치 (식⑺)로 이용하였다.
세 부 적 으로 다루면, 적 색 광 LED와 포토 수광 센서는손가락 지문부분에 위치 하게 하고동맥의 혈류량의변화에 의한 광량을 센싱 하여 PPG 신호를 검출하게 하였다. 특히, PPG 측정 신뢰도를 높이기 위해 측정된 660nm 파장의 전압 값을 연산증폭기 (LM324)를 이용하여 전압 증폭(이득 G= 24.5)하는 회로를 설계하였다. 그리 고 직 류성 분과0.

대상 데이터

본 연구에서는PPG신호를 측정하기 위해 적 색 파장 (660nm) 광량 센서 TSR250R과 660nm의 적 색 LED를사용하였다. PPG 신호 검출 방식은 적색 파장을 발광하고 말초혈관의 혈류량에 의해 반사되어 돌아오는 빛의 양을 수광 센서에서 측정하는 방식으로 구성하였다.

데이터처리

장착하여 시험하였다. 실험에서 손가락과 손목의움직 임으로부터 동잡음이 발생할 경우, 기준값과 이동평 균 방법(MA), 제안된 방법(PM) 간의 심박수 오차를비교 분석하였으며, 실험에서 나타난 대표적인 결과를그림 5에 나타내었다. 이 실험에서 그림 5와 같이 손가락과손목움직 임 인동잡음이 발생하더 라도 제안된 방법이 이동평균 필터보다 표준값(REF)에 근접한 것을알 수 있었다.

이론/모형

따라서 이두 필터 의 차단 주파수를 기 점으로 동잡음 신호의 하모닉 신호를 추출과 합성으로 적응필터의 참조 신호 0v(n))로 사용하였다. 이 참조 신호를 기반으로 적응필터 처리는 식(3)~식(5)과 같이 처리하였으며, 필터 계수의 최적 화는 최소자승법(Least Mean Square Method)을이용하였다.
이러한 업무는 수십 명 의 환자의 심 박수를 측정하기 엔 많은 시간을 소비 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 국내외 에서 는다양하게 개 발되 고있으며, 이들 장치들의 대부분이 심박수를 추출할 때, PPG(Photo -plethysmography 이용하여 측정한다[4]. PPG 신호는 환자에게 고통을 주지 않는 비침습형 방식으로 적 색 파장의 LED 또는 적외선 파장의 LED 빛을손가락의 동맥혈에 조사하여, 심장 박동에 따라 반사또는 투과된 광인 맥동성분의 신호이다.

성능/효과

이 실험에서 그림 5와 같이 손가락과손목움직 임 인동잡음이 발생하더 라도 제안된 방법이 이동평균 필터보다 표준값(REF)에 근접한 것을알 수 있었다. 그리고 동잡음이 발생시 심박수의 최대변화량을 분석한 결과(표 1)에서도 제안된 방법이 이동평균 기법와심박수측정 오차가 적게 발생됨을 알 수 있었다.
실험의 결과와 같이 심박수 측정에 있어 제안된 기법이동잡음(손가락 떨림, 환자의 움직임) 환경에서도 보다정확한 심박수측정이 가능함을 보였다. 본 연구의 결과인 휴대형 심박수 측정기를 간호업무에 도입된다면, 보다 효율적인 환자관리 가 가능할 것이 고, 업무 효율 또한 향상 될 것으로 사료된다.
실험에서 손가락과 손목의움직 임으로부터 동잡음이 발생할 경우, 기준값과 이동평 균 방법(MA), 제안된 방법(PM) 간의 심박수 오차를비교 분석하였으며, 실험에서 나타난 대표적인 결과를그림 5에 나타내었다. 이 실험에서 그림 5와 같이 손가락과손목움직 임 인동잡음이 발생하더 라도 제안된 방법이 이동평균 필터보다 표준값(REF)에 근접한 것을알 수 있었다. 그리고 동잡음이 발생시 심박수의 최대변화량을 분석한 결과(표 1)에서도 제안된 방법이 이동평균 기법와심박수측정 오차가 적게 발생됨을 알 수 있었다.

후속연구

본 연구의 결과인 휴대형 심박수 측정기를 간호업무에 도입된다면, 보다 효율적인 환자관리 가 가능할 것이 고, 업무 효율 또한 향상 될 것으로 사료된다. 그리고 본 연구에서개발된 휴대형 심박수 측정기에 무선 통신 기능을 부가한다면 실시간으로 환자 관리가 이루어 질것으로사료된다.
실험의 결과와 같이 심박수 측정에 있어 제안된 기법이동잡음(손가락 떨림, 환자의 움직임) 환경에서도 보다정확한 심박수측정이 가능함을 보였다. 본 연구의 결과인 휴대형 심박수 측정기를 간호업무에 도입된다면, 보다 효율적인 환자관리 가 가능할 것이 고, 업무 효율 또한 향상 될 것으로 사료된다. 그리고 본 연구에서개발된 휴대형 심박수 측정기에 무선 통신 기능을 부가한다면 실시간으로 환자 관리가 이루어 질것으로사료된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

하모닉 신호와 적응 필터를 이용한 휴대형 심박수 측정 장치 설계
Design of A Portable Device for Measuring Heart Rate Using Harmonic Signal and Adaptive Filter 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

하모닉 신호와 적응 필터를 이용한 휴대형 심박수 측정 장치 설계 Design of A Portable Device for Measuring Heart Rate Using Harmonic Signal and Adaptive Filter 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이주원 (24)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

하모닉 신호와 적응 필터를 이용한 휴대형 심박수 측정 장치 설계
Design of A Portable Device for Measuring Heart Rate Using Harmonic Signal and Adaptive Filter 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper