[논문]지수가중 이동평균 기반의 PPG 신호 동잡음 제거

이준연

doi:10.14400/jdpm.2013.11.8.183

지수가중 이동평균 기반의 PPG 신호 동잡음 제거
The Motion Artifact Reduction from the PPG based on EWMA 원문보기

디지털정책연구 = The Journal of digital policy & management, v.11 no.8, 2013년, pp.183 - 190

초록
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PPG 신호는 심장의 박동에 동기된 유사 주기 신호이다. 본 논문에서는 PPG 신호의 유사주기성을 이용한 지수가중 이동평균필터 방법을 제안한다. 이 필터링 방법은 PPG 신호를 주기적으로 분리하여 각 주기 신호의 같은 순번에 있는 샘플들끼리 평균을 취하는 방법이다. 연속된 PPG 신호의 주기중에 동잡음이 혼입되었다면 주기를 기준으로 PPG 신호를 분리한 후, 각 주기의 샘플수를 조정하여 같은 샘플수를 가지게 만든다. 이 주기들을 2차원으로 배열한 후 현재 주기부터 이전 각 주기의 샘플끼리 평균을 취함으로써 훼손없이 동잡음을 제거할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Photoplethysmogram is a similar periodic signal that synchrinized to a heartbeat. In this paper, we propose a exponential weight moving average filter that use similarity of Photoplethysmogram. This filtering method has the average value of each samples through separating the cycle of PPG signal. If there are some motion artifacts in continuous PPG signal, disjoin the signal based on cycle. And then, we made these signals to have same cycle by coordinating the number of sample. After arrange these cycles in 2 dimension, we put the average value of each samples from starting till now. So, we can eliminate the motion artifacts without damaged PPG signal.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 PPG 신호를 측정할 때 지수가중 이동 평균 필터를 시용하여 동잡음 제거에 효과적인 알고리즘을 제안하였다. 이 필터를 적용하여 실생활에서 혼입될 수 있는 보행 잡음이 혼입된 PPG 신호로부터 원래의 PPG 신호를 분리하여 복원하였다.
본 연구에서는 PPG 신호 검출시 입력과의 크기를 조절하여 광전용적맥파의 영향을 줄인 다음 보다 정확한 동잡음 참조 신호를 함께 검출함으로써 적응 필터의 참조신호로 적용하고자 한다. 이를 위하여 PPG 신호의 유사 주기성을 이용한 지수가중 기반의 주기적 이동평균필터 방법을 제안한다.
본 연구에서는 가속도 센서를 이용한 잡음 제거 기법과 지수가중 이동평균 (Exponential Wavelet Moving Average ,EWMA)방식의 적응필터를 이용하여 적응형 잡음제거 필터링을 수행하여 광전용적맥파에 가해지는 동잡음을 제거하기 위한 방법을 제시하고자 한다.

제안 방법

3가지의 동잡음 패턴에 대하여 획득된 신호로 실험을 한 결과 일정하게 정해진 데이터 크기에 대해서 적용하였고, 1분동안 수집된 데이터에 대해 실시간으로 연속하여 처리하였다. [Fig.
동잡음 획득 실험은 손목을 고정시키고 손가락을 위아래로 작은 떨림을 주는 경우, 손 자체에 움직임을 가하는 경우, 두가지가 혼합된 경우 세가지에 대하여 진행하였다. 이 때, 동시에 오른 손은 고정시키고 동잡음이 없는 PPG 신호를 획득하여 각각의 동잡음 신호를 실시간으로 받아 처리하여 PPG만의 신호로 복원한 후 원래의 PPG 신호와 비교하여 본 논문에서 제안한 지수가중 이동평균 이동평균 기반 필터를 계산하였다.
동잡음과 비슷한 형태를 가지도록 크기가 다르고 랜덤 구간동안 일정한 랜덤 잡음을 혼입하여 SNR에 따른 MSE를 측정하였다.
실제 PPG에서 동잡음과 같은 효과를 보이기 위해 임의의 구간동안 일정량의 랜덤한 신호를 첨가시켜 신호를 변형시켰다. 변형된 신호는 따로 저장한 후 원래 정현파의 파워와 첨가된 잡음 신호의 파워를 비교하여 SNR(Signal to Noise Ratio)을 계산하였다. SNR에 따라 잡음 신호를 증가시키면서 원래의 정현파에 대해 분리된 신호와의 MSE(Mean Square Error)를 계산하여 정확도를 분석하였다.
각 LED 구동에 따라 조직을 통과한 신호는 차동증폭기를 통해 증폭되고 아날로그 멀티플렉스에 의해 주변광 신호와 각 파장별로 신호가 분리된다. 분리된 각각의 파장별 신호에 대해 주변광 신호를 필터링하여 주변광 잡음을 제거하고, 직류 필터링과 교류 이득 신호를 통해 교류 요소만을 가진 PPG 신호를 획득한다. 분리된 신호는 아날로그-디지털 변환 회로에 인가되어 디지털 신호로 변환되어 PC에 각 채널의 출력으로 전송된다.
이때 5와 2의 값은 실제 임상 데이터에서 잡음이 없을 때와 비슷한 범위이다. 실제 PPG에서 동잡음과 같은 효과를 보이기 위해 임의의 구간동안 일정량의 랜덤한 신호를 첨가시켜 신호를 변형시켰다. 변형된 신호는 따로 저장한 후 원래 정현파의 파워와 첨가된 잡음 신호의 파워를 비교하여 SNR(Signal to Noise Ratio)을 계산하였다.
동잡음 획득 실험은 손목을 고정시키고 손가락을 위아래로 작은 떨림을 주는 경우, 손 자체에 움직임을 가하는 경우, 두가지가 혼합된 경우 세가지에 대하여 진행하였다. 이 때, 동시에 오른 손은 고정시키고 동잡음이 없는 PPG 신호를 획득하여 각각의 동잡음 신호를 실시간으로 받아 처리하여 PPG만의 신호로 복원한 후 원래의 PPG 신호와 비교하여 본 논문에서 제안한 지수가중 이동평균 이동평균 기반 필터를 계산하였다.
본 논문에서는 PPG 신호를 측정할 때 지수가중 이동 평균 필터를 시용하여 동잡음 제거에 효과적인 알고리즘을 제안하였다. 이 필터를 적용하여 실생활에서 혼입될 수 있는 보행 잡음이 혼입된 PPG 신호로부터 원래의 PPG 신호를 분리하여 복원하였다.
본 연구에서는 PPG 신호 검출시 입력과의 크기를 조절하여 광전용적맥파의 영향을 줄인 다음 보다 정확한 동잡음 참조 신호를 함께 검출함으로써 적응 필터의 참조신호로 적용하고자 한다. 이를 위하여 PPG 신호의 유사 주기성을 이용한 지수가중 기반의 주기적 이동평균필터 방법을 제안한다.
제안된 알고리즘의 성능 분석을 위하여 임의의 신호를 만들어 시뮬레이션을 수행하였다. 먼저 같은 주기를 갖는 ±5Hz 정현파와 ±2Hz 정현파를 만들었다.

데이터처리

변형된 신호는 따로 저장한 후 원래 정현파의 파워와 첨가된 잡음 신호의 파워를 비교하여 SNR(Signal to Noise Ratio)을 계산하였다. SNR에 따라 잡음 신호를 증가시키면서 원래의 정현파에 대해 분리된 신호와의 MSE(Mean Square Error)를 계산하여 정확도를 분석하였다.

성능/효과

둘째로 이동 평균 필터는 돌발적인 충격 잡음 제거에 유용하게 사용된다. 셋째로, 적응 필터는 신호나 잡음 특성에 대한 사전 지식을 요구하지 않는다는 것이 큰 장점이며, 원하는 신호의 추정된 합성(synthesis)과 필터 계수를 변경하기 위한 에러 피드백(error feedback)을 통한 학습 기법을 사용한다[9]. 여기서 합성하기 위한 추정신호를 측정하는데 가속도 센서를 사용한다.
이러한 전처리 과정에서 PPG 신호의 주기성을 이용한 데시메이션과 인터폴레이션으로 크게 손상된 신호를 효과적으로 분리되도록 하였다. 이 모든 전처리 과정은 동잡음 제거에 필수적인 요소이며 원래의 PPG 신호와 동잡음의 유사성으로 기존의 필터를 통해 잘 분리되지 않는 문제를 해결하였다.
이 때 기존의 적응필터만으로 PPG 신호를 분리시켰을 경우는 MSE 값이 약간 줄어들지만 아직도 원래 신호와의 차이는 상당히 크다. 하지만 제안된 알고리즘에 의해 분리된 신호는 적응필터에 비해 기존의 정현파와 큰 차이가 현저히 적은 것을 알 수 있다. 이는 알고리즘의 성능이 전 영역에 걸쳐 적응 필터에 비해 현저히 개선되었음을 보여주는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 의료서비스의 문제점은 무엇인가?	그러나 기존의 의료서비스 체계에서는 신속하고 적절한 응급처치를 수행하는데 많은 어려움이 있다. 기존 의료서비스의 경우 환자 자신이 몸에 이상 징후를 느끼고 난 후 직접 병원을 방문하여 진단과 치료를 받는데, 이런 경우 초기진단이 어려워 고위험군 환자의 경우 병이 악화된 가운데 치료를 받을 가능성이 높아지게 된다.이러한 문제점을 해결하기 위해서는 IT와 의료 도메인 기술을 융합하여 환자를 가정 내에서도 지속적으로 모니터링 기술의 개발이 필요하다.
	PPG 신호란 무엇인가?	PPG 신호는 심장의 박동에 동기된 유사 주기 신호이다. 본 논문에서는 PPG 신호의 유사주기성을 이용한 지수가중 이동평균필터 방법을 제안한다.
	지수가중 이동평균필터 방법이란 무엇인가?	본 논문에서는 PPG 신호의 유사주기성을 이용한 지수가중 이동평균필터 방법을 제안한다. 이 필터링 방법은 PPG 신호를 주기적으로 분리하여 각 주기 신호의 같은 순번에 있는 샘플들끼리 평균을 취하는 방법이다. 연속된 PPG 신호의 주기중에 동잡음이 혼입되었다면 주기를 기준으로 PPG 신호를 분리한 후, 각 주기의 샘플수를 조정하여 같은 샘플수를 가지게 만든다.

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