[논문]PPG 센서를 이용한 심박 모니터링 시스템 구현

이원석; 정경권

doi:10.5573/ieie.2017.54.5.138

[국내논문] PPG 센서를 이용한 심박 모니터링 시스템 구현
Implementation of Heart Rate Monitoring System using PPG Sensor 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.54 no.5 = no.474, 2017년, pp.138 - 142

이원석 (동양미래대학교 전기전자통신공학부) , 정경권 (동신학교 에너지IoT전공)

초록
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광전용적맥파(PPG)는 조직의 미세혈관에서 혈류의 변화를 감지할 수 있는 간단하고 저가의 광학기법이다. PPG는 피부 표면에서 비침습 방식의 측정에 사용된다. 본 논문에서는 PPG 센서를 이용한 심박 모니터링 시스템을 구현하였다. 제안한 시스템은 PPG 센서를 이용하여 데이터를 수집하고, 2차 미분 방식으로 심박수를 검출한다. 제안한 시스템의 유용성을 확인하기 위하여 상용 의료기기와 RR-구간의 측정을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Photoplethysmography (PPG) is a simple and low-cost optical technique that can be used to detect blood volume changes in the microvascular bed of tissue. It is often used non-invasively to make measurements at the skin surface. In this paper, we described the implementation heart rate monitoring system using PPG sensor. Proposed system is collected data using PPG sensor and heart rate was detected using second derivative method. In order to verify the effectiveness of the proposed method, we performed the measurements of RR-intervals with a commercial medical device.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 유비쿼터스 헬스케어를 위해 생체신호 분석 시스템을 제안한다. 제안한 시스템은 Nellcor 방식의 광전용적맥파(PPG) 센서를 이용하여 신호를 측정하고, 심박 측정을 위한 신호처리를 수행한다.

제안 방법

본 논문에서는 유비쿼터스 헬스케어를 위해 생체신호 분석 시스템을 제안한다. 제안한 시스템은 Nellcor 방식의 광전용적맥파(PPG) 센서를 이용하여 신호를 측정하고, 심박 측정을 위한 신호처리를 수행한다.

대상 데이터

심박 모니터링 시스템 구현을 위해 제작한 측정보드를 이용하여 실험을 진행하였다. 그림 4는 PC 모니터링 프로그램으로 PPG 신호가 측정된다.

데이터처리

측정 방식은 일정 시간 동안의 파형을 사람이 판단한 피크와 알고리즘이 판단한 피크를 비교하였다. TP는 true positive,FP는 false positive이다.
또한 상용 환자 모니터링 의료장비(메디아나 YM6000) 와 T₁ 간격의 시간을 저장하여 제안한 심박 모니터링 시스템의 성능을 비교하였다. 1초마다 시간간격(ms)을 출력하기 때문에 동일한 조건에서의 결과 확인을 위해 제안한 시스템의 펌웨어를 피크 검출을 한 후에 시간간격으로 변환하여 UART로 출력하였다.

성능/효과

실험을 통해 제안한 심박 검출 알고리즘의 성능을 확인하였고, 의료용 심박측정 장비와 심박 측정 시간을 비교하였으며, R²=0.915의 성능을 확인하였다.

후속연구

향후 보다 정확한 성능 검증을 위해 펄스옥시미터 테스트 장비와 비교하고, 심박 측정 신호로부터 HRV나 가속도 맥파(APG) 등의 신호를 추출하여 혈관 탄성도나 스트레스 측정에 활용할 계획이다. 또한 소형화와 무선 모듈이나 BLE(Bluetooth Low Energy) 모듈을 부착하여 스마트폰에서도 측정이 가능하도록 개선이 필요하다.
향후 보다 정확한 성능 검증을 위해 펄스옥시미터 테스트 장비와 비교하고, 심박 측정 신호로부터 HRV나 가속도 맥파(APG) 등의 신호를 추출하여 혈관 탄성도나 스트레스 측정에 활용할 계획이다. 또한 소형화와 무선 모듈이나 BLE(Bluetooth Low Energy) 모듈을 부착하여 스마트폰에서도 측정이 가능하도록 개선이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광전용적맥파란 무엇인가?	광전용적맥파(PPG)는 조직의 미세혈관에서 혈류의 변화를 감지할 수 있는 간단하고 저가의 광학기법이다. PPG는 피부 표면에서 비침습 방식의 측정에 사용된다.
	혈관의 기계적인 특성은 어떤 역할을 하는가?	혈관계에서 혈관의 지름이나 두께, 강도, 탄력성, 저항성 등 기계적인 특성은 인체의 순생리를 결정하는 중요한 요인으로 작용하며, 동맥경화(arteriosclerosis)나 당뇨신경병증(diabetic neuropathy), 혈관의 노화(aging) 등 심혈관시스템(cardiovascular system, CVS)의 이상 징후를 나타내는 중요한 지표로 사용되고 있다. 동맥경화나 혈관의 노화 등은 조기에 발견하고 계획적이며 지속적인 관리가 필요하다.
	광전용적맥파가 개발된 사회적 배경은 무엇인가?	이러한 삶의 질 향상에 대한 욕구와 고령화 사회로의 진입은 의료서비스 패러다임을 질병의 진단과 치료에서 예방과 관리로 자연스럽게 변화시키고 있으며, 이에 따른 헬스케어 시스템의 수요 촉진으로 언제, 어디서나 건강에 대한 상태를 모니터링 할 수 있는 시스템이 필요게 되었다[1～2].

참고문헌 (9)

Young-Dong Lee, Esko Alassarela, and Wan-Young Chung, "A Wireless Health Monitoring System in Multi-hop Body Sensor Networks", Procceding of ISMICT'07, 2007.
Jinseok Lee, Ki H. Chon, "An Autoregressive Model-Based Particle Filtering Algorithms for Extraction of Respiratory Rates as High as 90 Breaths Per Minute From Pulse Oximeter," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Volume 57, Issue 9, pp. 2158-2167, 2010.

상세보기
Shelley, Kirk H. (2007). Photoplethysmography: beyond the calculation of arterial oxygen saturation and heart rate. Anesthesia & Analgesia 105.6S Suppl, S31-S36.

상세보기
Sinex, James E. (1999). Pulse oximetry: principles and limitations. The American journal of emergency medicine 17(1), 59-66.

상세보기
Chisung Kim, Dong Seog Han, "A Real Time Heartbeat Rate Estimation Algorithm Using PPG Signals," Journal of The Institute of Electronics and Information Engineers Vol. 53, NO. 12, pp. 82-87, December 2016.
Dae-wook Kim, Jong-ha Lee, "The Analysis on the Correlates Between HRV Using PPG Data and Mental Stress", Proceeding of 2015 IEIE Summer Conference, pp.726-729, June 2015.
Nellcor, http://www.medtronic.com
Texas Instrumemts, http://www.ti.com
TinyOS, http://www.tinyos.net

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