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문제 정의
- 본 개발모듈에서 데이터 수집을 위해 여러 가지 상황에 따른 실험을 해보았다. PPG와 GSR의 연관성을 알아보기 위해 이완, 각성을 알아 볼 수 있는 실험을 하였다.
- 본 논문은 기존의 조명 시스템이 아닌 사용자가 간편하게 LED조명등에 부착된 생체신호 센서를 사용하여 본인의 신체 스트레스 정도를 직접 확인할 수 있고, 상황에 따른 LED조명등의 변화로 사용자의 이완 및 각성상태에 도움을 주고자 시스템을 개발하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- LED조명을 제어하기 위하여 MCU에서 2가지 입력 신호에 따라 RGB값을 조절해 빛의 색을 결정한다. LED는 5V의 전압과 420mA의 전류가 필요하며 Red, Green, Blue를 각각의 포트에 연결한다.
- 그림 6은 PPG 신호의 파형을 오실로스코프로 출력한 것이다. PPG 신호의 민감도가 크고 개인차가 존재하여 심박동수를 카운트하기 어렵기 때문에 슈미트 트리거(Schmitt Trriger) 회로를 추가하였고, 약 2.2V 이상일 경우 트리거가 발생하도록 하였다. 그림 7을 보면 기존 파형이 깨끗한 구형파로 변한 것을 확인할 수 있다[8].
- 통합 회로 기판의 1층은 제어부와 센서부가 결선되어있고 2층에는 디스플레이가 구현되어 있다. RGB LED는 총 5개를 부착하였고 LCD 디스플레이는 전면에 부착하여 생체신호 확인이 용이하도록 설계하였다.
- 이렇게 5초간 측정한 심박동수에 12를 곱하여 분당 맥박수를 구한다. 그리고 정확도를 높이기 위해 1x3배열의 변수를 지정하여 총 3개의 분당 맥박 수의 평균을 구하고 LCD에 값을 출력하게 된다.
- 넷째, 측정된 PPG, GSR을 이용하여 각성 이완 스트레스 판별맵을 구현하였고, 이러한 판별맵을 이용하여 피검자의 스트레스지수를 분석하였으며, 그 정도에 따라 LED조명 색을 변화시켜 적당한 스트레스 정도를 유지시키도록 하는 생체신호 연동 감성조명 시스템을 설계하였다.
- 그림 12와 그림 13은 게임 후 조명을 보았을 때 효과를 비교해본 실험이다. 모든 실험군이 조명을 보았을 때와 그렇지 않았을 경우의 심박동수, GSR을 비교해 보았다. 조명을 30분 동안 바라보았을 경우 그렇지 않은 경우보다 평균 심박동수는 6회, GSR은 200mV의 감소가 있었다.
- 본 개발에서는 인체의 피부전도반응(GSR)센서와 광적용적맥파(PPG)센서 모듈을 LED조명에 연동하여 사용자가 편리하게 본인의 신체의 피부전도반응과 맥파를 이용한 심박동수를 측정하고, LCD창을 통해 자신의 피부전도반응과 심박동수를 쉽게 확인할 수 있으며, 나아가 정상 스트레스 상태를 만들기 위해 LED 조명의 색상을 변화시켜 사용자가 조명 빛을 통해 자연스럽게 신체의 감성을 변화시키도록 하는 감성조명 시스템을 구현하였다[2].
- 심박동수를 측정할 수 있는 PPG 및 피부전도반응을 측정하기 위한 GSR을 MCU(Micro Controller Unit)와 통합모듈로 제작하였다. 사용자의 생체신호가 입력되면 제어부인 MCU에서 입력받은 데이터를 ADC(Analog Digital Converter)하여 이완 및 각성상태를 판단하고, 대응하는 색상을 RGB LED를 통해 출력한다. 생체신호의 값을 확인하기 위해 2x16 크기의 LCD를 사용하여 한눈에 심박동수와 피부전도반응을 확인 할 수 있도록 시스템을 구성하였다.
- 사용자의 생체신호가 입력되면 제어부인 MCU에서 입력받은 데이터를 ADC(Analog Digital Converter)하여 이완 및 각성상태를 판단하고, 대응하는 색상을 RGB LED를 통해 출력한다. 생체신호의 값을 확인하기 위해 2x16 크기의 LCD를 사용하여 한눈에 심박동수와 피부전도반응을 확인 할 수 있도록 시스템을 구성하였다. 전원부로는 5V/1A 용량의 SMPS(Switching Mode Power Supply)가 사용되었고 MCU를 통해 각각에 전원이 연결되었다.
- 셋째, 사용자가 GSR 측정을 시작하였을 때, 측정된 GSR 값의 변화량을 이용하여 LED 조명등이 ‘ON' 되도록 할 수 있는 생체신호 연동 조명 스위치를 구현하였다.
- 스트레스 지수 판별맵과 감성·컬러 대응표를 참고하여 여려가지 주어진 상황에 대하여 나타나는 감성지수를 예상해보고 실제 LED조명에 실험을 해보았다.
- 실험결과를 토대로 GSR, PPG에 대한 판별맵을 만들어보았으며 그림 11에서 좌표의 X축은 맥박의 상태를 나타내고 Y축은 GSR 전압의 전압강하를 나타낸다. 좌표의 중심점은 (80, 0.
- 그림 1은 전체 시스템 구성도이다. 심박동수를 측정할 수 있는 PPG 및 피부전도반응을 측정하기 위한 GSR을 MCU(Micro Controller Unit)와 통합모듈로 제작하였다. 사용자의 생체신호가 입력되면 제어부인 MCU에서 입력받은 데이터를 ADC(Analog Digital Converter)하여 이완 및 각성상태를 판단하고, 대응하는 색상을 RGB LED를 통해 출력한다.
- 이 판별맵을 토대로 아래 표 7의 감성·컬러 대응표와 연관지어 LED조명등의 색상을 결정하였다.
- 실험 1의 경우와 실험 2의 경우는 과각성과 각성의 상태가 예상되는 조깅과 게임이 환경으로 주어졌다. 이에 LED조명 시스템은 사용자가 각성 상태라고 판단되어 초록색과 파란색의 빛을 비추었다. 책을 30분 읽은 뒤 역시 평소에 가까운 상태라고 파악되어 정상상태인 하늘색의 빛은 비추었다.
- 첫째, PPG 및 GSR을 간편하면서 동시에 측정 가능한 모듈을 개발하였으며, 이를 이용하여 측정된 생체신호로부터 심박동수를 카운팅하여 디스플레이 되도록 설계하였다.
- 스트레스 지수 판별맵과 감성·컬러 대응표를 참고하여 여려가지 주어진 상황에 대하여 나타나는 감성지수를 예상해보고 실제 LED조명에 실험을 해보았다. 표 8의 실험은 총 4명이 주어진 환경에 따라 실험을 하고 LED조명의 색을 관찰하였다. 실험 1의 경우와 실험 2의 경우는 과각성과 각성의 상태가 예상되는 조깅과 게임이 환경으로 주어졌다.
대상 데이터
- PPG는 LAXTHA의 RP520을 사용하였다. RP520은 반지형 맥파 센서로써 측정에 필요한 모든 아날로그 회로가 내장되어 전원을 인가하면 바로 맥파를 출력할 수 있는 센서이다.
- PPG와 GSR을 확인하기 위해서 2x16 LCD를 사용하였다. 첫 번째 줄에는 GSR의 전압 값[V]을 출력하였고 두 번째 줄 HR(Heart Rate)은 분당 심박동수[bpm : beat per minute]로 나타낸 것이다.
- 측정 방법은 센서 크기에 맞는 손가락에 장착하여 연결된 도선에 +3V∼+5V의 단전원(Vs)과 LED 구동 전류 제어 전압(Vc)을 인가하여 아날로그 맥파를 얻을 수 있다. PPG의 측정방식으로는 반사 형과 투과 형이 있으며, 본 개발에서는 LED조명 외형부착을 위해 반사형인 RP520을 사용하였다[3]. 그림 3은 RP520의 PPG회로도 이다.
- 본 개발에서는 ATmega128을 MCU로 사용하였으며, 단극성 8채널의 내부 ADC를 지원한다. 그림 6은 PPG 신호의 파형을 오실로스코프로 출력한 것이다.
데이터처리
- 맥파는 심장 박동에 의한 혈액과 혈관의 운동학적 특성이 반영된 것이다. 그림 2는 PPG 신호를 분석하기 위해 스펙트럼 분석 프로그램을 이용하여 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)을 하였다. PPG 스펙트럼의 주파수 범위는 대부분 10Hz 이내로 대부분 저주파 대역에 형성되어 있음을 알 수 있다.
- 그림 8은 (주)KTMED에서 개발한 생체신호처리 키트( E²-KIT)로 본 연구에서 측정된 신호와 비교분석하였다.
- 둘째, 측정된 PPG 파형으로부터 슈미트 트리거 회로를 사용하여 피검자의 심박동수를 손쉽게 측정할 수 있는 알고리즘을 제안하였으며, 알고리즘을 이용하여 개발한 기술의 객관성 검증을 위하여 (주)KTMED에서 개발한 생체신호처리 키트( E²-KIT)와 비교분석하였다.
- 심박동수의 정확도를 확인하기 위해 그림 8에 나온 디지털 신호처리 실험키트인 E²-KIT를 사용하였으며, 동일한 실험조건에서 비교해 보았다.
성능/효과
- 30분 게임 후 실제 대응되는 조명을 보고 정상수치로 돌아오는데 육체적 스트레스의 경우 실제 대응되는 색상의 조명을 보고 있더라도 효과가 미비했다. 그러나 정신적 스트레스의 경우 어느 정도 효과를 볼 수 있었다.
- 다섯째, 피검자의 육체적 스트레스의 경우보다는 정신적 스트레스의 경우에 대응하는 LED조명 색 변화를 이용하여 실험한 결과, 평균 심박동수는 분당 약 6회 감소, GSR은 비교값이 200mV 감소함을 보임으로써 적절한 스트레스 유지 효과가 있음을 도출할 수 있었다.
- 조명을 30분 동안 바라보았을 경우 그렇지 않은 경우보다 평균 심박동수는 6회, GSR은 200mV의 감소가 있었다. 따라서 LED감성조명을 사용한 결과 육체적 스트레스의 경우는 좋은 효과를 보지 못했지만 정신적 스트레스의 경우는 좋은 효과를 보였다.
- 둘째, 측정된 PPG 파형으로부터 슈미트 트리거 회로를 사용하여 피검자의 심박동수를 손쉽게 측정할 수 있는 알고리즘을 제안하였으며, 알고리즘을 이용하여 개발한 기술의 객관성 검증을 위하여 (주)KTMED에서 개발한 생체신호처리 키트( E²-KIT)와 비교분석하였다. 비교 분석 결과, PPG를 이용한 심박동수 측정 오차가 2bpm이하로 비슷한 수치를 기록한 것을 확인하였다.
- 심박동수의 정확도를 확인하기 위해 그림 8에 나온 디지털 신호처리 실험키트인 E²-KIT를 사용하였으며, 동일한 실험조건에서 비교해 보았다. 비교결과, 차이가 최대 4를 넘지 않았으며, LED조명 구동에 문제가 없음을 확인하였다.
- 표 4는 저각성(지침) 상태를 알아보기 위해 피검자가 수면을 취했을 경우 PPG를 측정하였고, 앞 실험과 동일하게 10번의 반복을 통하여 오차를 줄였다. 수면 후 10분이상이 지나면 더 이상 맥박이 떨어지지 않았고, 피검자당 평균 7～8정도 맥박이 떨어짐을 확인하였다.
- 실험조건은 4명의 실험군이 10분간 달리기를 하고, 시간경과에 따른 측정값을 나타낸 결과이다. 운동 직후 PPG를 측정 했을 때, 높은 심박동수인 것을 확인하였고 시간이 지날수록 점점 정상상태로 돌아오는 것을 확인하였다. 심박동수의 정확도를 확인하기 위해 그림 8에 나온 디지털 신호처리 실험키트인 E²-KIT를 사용하였으며, 동일한 실험조건에서 비교해 보았다.
- 모든 실험군이 조명을 보았을 때와 그렇지 않았을 경우의 심박동수, GSR을 비교해 보았다. 조명을 30분 동안 바라보았을 경우 그렇지 않은 경우보다 평균 심박동수는 6회, GSR은 200mV의 감소가 있었다. 따라서 LED감성조명을 사용한 결과 육체적 스트레스의 경우는 좋은 효과를 보지 못했지만 정신적 스트레스의 경우는 좋은 효과를 보였다.
- 각 피검자당 10번의 실험결과에 평균값을 나타내었다. 피검자들의 차이가 존재하지만, GSR 값은 0.5～0.8의 전압이 감소하고 심박동수는 4～12bpm의 소폭상승을 확인하였다.
후속연구
- 향후, 본 연구결과의 신뢰성 확보를 위하여 전문 의료기관에서 임상실험 병행 및 다양한 조건에서 더 많은 남녀노소 피검자군에 대한 실험을 진행하고, 상황에 따라 대응되는 LED 조명색의 종류를 좀 더 세분화할 수 있는 실험이 필요할 것으로 판단된다.
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