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PPG 측정 장치에서의 온도 영향에 대한 연구
A Study on the Temperature Dependence of PPG Measurement Devices 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.12 no.3, 2019년, pp.306 - 311  

김남섭 (Department of Computer Application & Electronics, Seoil University)

초록
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본 논문에서는 사전 연구로 제작된 손목시계형태의 반사형과 투과형 PPG 측정 장치의 온도 변화에 대한 특성을 고찰하였다. PPG는 신체의 온도 변화에 따라 그래프의 모양이 영향을 받게 되는데 본 논문에서는 신체의 온도 변화가 아닌 측정 장비의 온도 변화에 따른 영향을 고찰하였다. 실험은 기존에 제작된 장치의 마이크로 컨트롤러의 내부 온도를 측정하면서 내부 온도 변화에 따른 PPG의 변화를 관찰하였다. 실험 결과, 사용된 마이크로 컨트롤러의 동작 시간에 따라 온도는 무리함수의 그래프 형태로 변화하였으며 온도 상승에 따라 투과형 측정 장치는 온도에 영향을 받지 않았으나 반사형 측정 장치는 PPG 측정 결과에 변화가 발생함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents the temperature dependence of transmission-type and reflection-type PPG measurement devices that have been developed in the previous research. PPG signal can be distorted by external temperature such as skin temperature so that many of research was focused on the skin temperature...

주제어

#Heart Rate   #Microcontroller   #Photoplethysmograph   #Pulse Oximeter   #Temperature  

표/그림 (9)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문의 사전 연구에서는 이러한 비침습적 측정이 가능한 손목시계 형태의 투과형 PPG 측정 장치를 개발하는 연구를 수행하였고 실제 정상적인 측정이 가능함을 확인하였다[1][2]. 그러나 실제 응용을 위해서는 다양한 변화에 대한 적응성을 테스트해야하기 때문에 본 논문에서는 온도 변화에 대한 측정 장치의 특성을 연구하고자 한다.
  • 그림 1에 나타난 바와 같이 측정 장치 내부의 MCU에 연산에 의한 온도 변화가 발생할 경우 프로브가 내장되어 있는 반사형의 경우 온도의 영향을 직접적으로 받게 되지만 프로브가 온도 발생 원인과 떨어져있는 투과형인 경우 장치의 온도 변화에 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 따라서 직관적인 관점에서 보면 반사형의 경우 온도의 영향을 받는다는 것을 알 수 있으나 본 논문에서는 이를 실험적으로 확인하고 고찰하고자 한다.
  • 본 논문에서는 반사형과 투과형 PPG 측정 장치에서의 내부 온도 변화에 대한 특성을 고찰하였다. 실험은 두 측정 장치를 최저 온도가 되게 한 후 측정 장치가 동작함에 따라 자연적으로 발생되는 온도를 체크한 다음 그 온도에서의 PPG를 측정하였다.
  • 이러한 심박수의 변화는 ECG(Electrocardiogram) 또는 PPG(Photoplethysmography)를 통해 확인할 수 있으며 PPG는 저비용(low-cost)의 광학적 기술을 사용할 수 있으며 비침습적(non-invasive) 측정이 가능하기 때문에 널리 사용되고 있다. 본 논문의 사전 연구에서는 이러한 비침습적 측정이 가능한 손목시계 형태의 투과형 PPG 측정 장치를 개발하는 연구를 수행하였고 실제 정상적인 측정이 가능함을 확인하였다[1][2]. 그러나 실제 응용을 위해서는 다양한 변화에 대한 적응성을 테스트해야하기 때문에 본 논문에서는 온도 변화에 대한 측정 장치의 특성을 연구하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
PPG 측정 장치의 빛 투과 형태에 따른 특징은? 물리적인 측면에서 고찰해 보면 반사형의 경우 빛을 발산하는 장치와 빛을 받아들이는 장치가 동일한 피부에 접촉되기 때문에 온도차이로 인한 PPG 데이터의 신뢰도가 투과형에 비해 높다. 투과형의 경우 빛을 발산하는 장치의 피부와 빛을 받아들이는 장치의 피부가 다르기 때문에 피부의 온도가 다르다면 신호의 간섭이 있을 수 있으나 피부의 온도 차이는 크지 않고 센서 자체의 발열이 크지 않기 때문에 장치의 온도로 인한 전체 PPG의 파형의 변화는 거의 없다고 할 수 있다.
PPG(Photoplethysmography)의 장점은? 심장 박동은 인간이 살아가기 위한 필수 동작중 하나이며 심박수의 변화를 측정함으로써 건강 상태를 확인할 수 있다. 이러한 심박수의 변화는 ECG(Electrocardiogram) 또는 PPG(Photoplethysmography)를 통해 확인할 수 있으며 PPG는 저비용(low-cost)의 광학적 기술을 사용할 수 있으며 비침습적(non-invasive) 측정이 가능하기 때문에 널리 사용되고 있다. 본 논문의 사전 연구에서는 이러한 비침습적 측정이 가능한 손목시계 형태의 투과형 PPG 측정 장치를 개발하는 연구를 수행하였고 실제 정상적인 측정이 가능함을 확인하였다[1][2].
투과형의 경우 PPG신호의 오차가 장치의 온도따라 변화하는가? 만약 외부 온도가 변화하거나 내부에서 온도를 변화시킬 수 있는 요인에 의해 온도 변화가 발생할 경우 PPG신호에 오차가 발생할 수 있다. 그림 1에 나타난 바와 같이 측정 장치 내부의 MCU에 연산에 의한 온도변화가 발생할 경우 프로브가 내장되어 있는 반사형의 경우 온도의 영향을 직접적으로 받게 되지만 프로브가 온도 발생 원인과 떨어져있는 투과형인 경우 장치의 온도 변화에 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 따라서 직관적인 관점에서 보면 반사형의 경우 온도의 영향을 받는다는 것을 알 수 있으나 본 논문에서는 이를 실험적으로 확인하고 고찰하고자 한다.
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참고문헌 (12)

  1. Namsub Kim, "A Study on the Implementation of Transmission type PPG Measurement Device in a Wrist Watch", Journal of KIIECT, Vol. 10, No. 2, pp. 161-167, April, 2017. 

  2. Namsub Kim, "A Study on the Implementation of Transmission type PPG Measurement Device in a Wrist Watch", Journal of KIIECT, Vol. 10, No. 2, pp. 161-167, April, 2010. 

  3. Sagaidachnyi A. A., Usanov D. A., Skripal A. V. and Fomin A. V. "Correlation of skin temperature and blood flow oscillations", In Saratov Fall Meeting 2011: Optical Technologies in Biophysics and Medicine XIII, Vol. 8337, pp. 83370A, International Society for Optics and Photonics, Feb. 2012. 

  4. Sagaidachnyi A. A., Skripal A. V., Fomin A. V. and Usanov, D. A., "Determination of the amplitude and phase relationships between oscillations in skin temperature and photoplethysmography-measured blood flow in fingertips", Physiological measurement, Vol. 35, No. 2, pp. 153, 2014. 

    상세보기

  5. Sagaidachnyi A. A., Fomin A. V., Mayskov D. I., Skripal A. V. and Usanov D. A. "Features of the temperature response to a double cuff-occlusion of the upper limbs: remote ischemic preconditioning aspect", In Saratov Fall Meeting 2017: Optical Technologies in Biophysics and Medicine XIX, Vol. 10716, pp. 107160R, International Society for Optics and Photonics, April 2018. 

  6. Tingting Yan, Song Zhang, Lin Yang, Yimin Yang and Xuwen Li, "Effect of Local Temperature on the Detecting for Pulse Wave of Local Blood Volume", INT. J. BIOAUTOMATION, Volume 17, No. 2, pp. 91-96, July 2013. 

  7. Cooke E. D., Steinberg M. D., Pearson R. M., Fleming C. E., Toms S. L. and Elusade J. A., "Reflex sympathetic dystrophy and repetitive strain injury: temperature and microcirculatory changes following mild cold stress", Journal of the Royal Society of Medicine, Vol. 86, No. 12, pp. 690, 1993. 

    상세보기

  8. Salam N. A. B. A., Saad W. H. B. M., Leong T. K., Baharom S. N. A. B., Salehuddin F. B., Manap N. B. A. and Syafeeza A. R., "The development of wireless heart rate and temperature monitoring system using bluetooth low energy", ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 11, No. 10, pp. 1819-66, 2016. 

  9. Maeda Y., Sekine M. and Tamura T., "The advantages of wearable green reflected photoplethysmography", Journal of medical systems, Vol. 35, No. 5, pp. 829-834, 2011. 

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  10. Park B. J., Jang E. H., Chung M. A. and Kim S. H., "Design of Prototype­Based Emotion Recognizer Using Physiological Signals", ETRI Journal, Vol. 35, No. 5, pp. 869-879, 2013. 

    원문보기 상세보기

  11. Kamshilin A. A. and Mamontov, O. V., "Visualization of microcirculation by green camera-based photoplethysmography", In BIBE 2018; International Conference on Biological Information and Biomedical Engineering, pp. 1-5, VDE, June 2018. 

  12. Wang A., Yang L., Liu C., Cui J., Li Y., Yang X., Zhang S. and Zheng D., "Athletic differences in the characteristics of the photoplethysmographic pulse shape: effect of maximal oxygen uptake and maximal muscular voluntary contraction", BioMed research international, 2015. 

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