[논문]파형 기울기를 이용한 맥파 주기 검출에 관한 연구

이현민; 김동준; 김경섭; 이정환; 안인석

파형 기울기를 이용한 맥파 주기 검출에 관한 연구
A Study on Period Detection of Pulse Wave Using Wave Slopes 원문보기

이현민 (청주대학교 전자정보공학부) , 김동준 (청주대학교 전자정보공학부) , 김경섭 (건국대학교 의학공학부) , 이정환 (건국대학교 의학공학부) , 안인석 (위덕대학교 에너지전기공학부)

Heart rate may be a very important parameter in human health. To extract heart rate, the electrocardiogram(ECG) is commonly used. But the ECG acquisition procedure is somewhat complex. On the other hand, the acquisition of pulse wave or photoplethysmogram(PPG) is very easy. However, the peak of PPG is not so sharp as ECG. This study tries to enhance the performance of period detection in PPG signal. The method uses the average slopes around the main peak. The crossing point of the increasing and the decreasing slopes is selected as the peak point of heart rate period. The proposed method showed smoothed heart rate graph and reduced irregularity in heart rate values.

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문제 정의

본 연구에서는 심전도보다 측정이 비교적 간편한 맥파를 이용하여 피크와 전·후 기울기의 정보를 통해 심박주기의 정확성을 개선하는 알고리듬을 제안한다.
본 연구에서는 측정이 번거로운 심전도를 이용하지 않고 맥파를 이용하여 피크를 검출하고 정확한 심박주기를 검출하는 기술을 개발하였다. 실험을 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.

가설 설정

Lp는 Sb구간에서의 평균 기울기를 갖는 직선이며, Ln은 Sa구간에서의 평균 기울기를 갖는 직선이다. Lp 와 Ln의 연장선이 교차하는 지점을 Pc로 나타내었고, Pc를 지나는 직선이 시간 축과 직교하는 지점을 Pr로 정하였으며, 정확한 피크가 존재하는 위치로 가정하였다. Pr의 위치는 샘플링된 포인트의 위치와 정확히 일치하지 않을 수도 있으므로 샘플링 구간을 10등분하여 가장 가까운 값을 취했다.
본 연구에서는 검출된 주봉 피크로부터 전·후의 기울기를 각각 계산하고, 각각의 기울기를 갖는 직선의 교차점의 위치가 정확한 주기 피크라고 가정하였다.

제안 방법

PPG 측정 모듈은 KT-MED사의 PPG 측정기 FS-01을 사용하였고, 증폭기 및 A/D 변환기도 같은 KT-MED사의 KBC-S02를 사용하였다. PPG 신호는 128Hz로 샘플링하고, 12bit 해상도로 디지털 신호 변환한 후, PC를 이용하여 처리하였다.
기울기의 계산은 주봉 피크로부터 전·후 3 포인트의 무시구간을 두고 무시구간 이전 또는 이후의 5포인트의 기울기 계산 구간으로부터 전·후 평균 기울기를 각각 구하였다.
보통의 경우 심박 활동은 한 프레임의 시간동안 급격히 변하지 않을 것으로 생각할 수 있으므로, 본 연구에서는 주기 검출 알고리듬의 오류 가능성을 줄이기 위하여 앞·뒤 프레임의 주기정보를 활용하여 최종적으로 심박주기를 결정한다.
본 연구에서는 피크의 평균 높이와 피크를 구성하는 전·후 밸리의 사이의 간격을 파라미터로 이용하여 주기에 해당하는 피크의 검출이 쉽지 않은 경우에도 정확한 주기 피크를 검출할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 한 프레임에서 두 개의 주기를 검출하기로 하고, 첫 번째 검출된 주기의 시점에서 0.25초 후부터 프레임의 끝까지 같은 방법으로 주기에 해당하는 실제 피크를 검출한다. 검출된 두 개의 주기는 주기값 간의 차이의 비교를 통해 실험적으로 설정한 허용오차 범위내의 차이를 나타내면 해당 프레임에서 주기가 검출된 것으로 하고, 그렇지 않으면 검출되지 않은 것으로 한다.
이를 위해 우선 피크를 검출하고, 피크의 전·후 두 기울기의 교차점을 정확한 피크로 인정하여 그 구간을 세분화함으로써 보다 정확한 피크를 검출하는 방법을 개발하였다.

대상 데이터

PPG 측정 모듈은 KT-MED사의 PPG 측정기 FS-01을 사용하였고, 증폭기 및 A/D 변환기도 같은 KT-MED사의 KBC-S02를 사용하였다. PPG 신호는 128Hz로 샘플링하고, 12bit 해상도로 디지털 신호 변환한 후, PC를 이용하여 처리하였다.

성능/효과

첫째, 기존 방법과 제안된 방법의 심박주기 결과를 비교하여 볼 때, 그래프 상에서도 눈으로 확인할 수 있을 정도의 개선 효과를 나타냈으며, 이는 주변 잡음과 제 2 피크의 영향 또는 낮은 샘플링으로 인해 맥파의 완만한 피크 부분에서 잘못된 피크를 검출하였을 경우, 본 연구에서 제안한 피크 검출 방법이 효과적으로 오차를 줄일 수 있다고 볼 수 있으며, 개발된 심박주기 검출 알고리듬의 성능이 우수하다고 볼 수 있다. 둘째, 기존 방법과 제안된 방법의 심박주기의 표준편차에 따른 비교를 통해 제안된 방법이 기존 방법보다 편차가 작게 나타남을 알 수 있고, 이러한 결과는 거의 모든 피검자들에게서 공통적으로 나타났다. 셋째, 피크 전·후 무시구간과 기울기 계산 구간이 각각 증가함에 따라 표준편차는 공통적으로 증가하였고, 이러한 결과는 거의 모든 피검자에게서 공통적으로 나타났다.
보통의 경우 심박 활동은한 프레임의 시간동안 급격히 변하지 않을 것으로 생각할 수 있으므로, 이웃하는 심박주기의 값은 급격히 변하지 않을 것이라 생각할 수 있다. 따라서 표준편차가 제일 작게 나타나는 무시구간 3포인트, 기울기 계산구간 5포인트의 경우에 정확한 주기가 검출된다고 볼 수 있다.
셋째, 피크 전·후 무시구간과 기울기 계산 구간이 각각 증가함에 따라 표준편차는 공통적으로 증가하였고, 이러한 결과는 거의 모든 피검자에게서 공통적으로 나타났다.
첫째, 기존 방법과 제안된 방법의 심박주기 결과를 비교하여 볼 때, 그래프 상에서도 눈으로 확인할 수 있을 정도의 개선 효과를 나타냈으며, 이는 주변 잡음과 제 2 피크의 영향 또는 낮은 샘플링으로 인해 맥파의 완만한 피크 부분에서 잘못된 피크를 검출하였을 경우, 본 연구에서 제안한 피크 검출 방법이 효과적으로 오차를 줄일 수 있다고 볼 수 있으며, 개발된 심박주기 검출 알고리듬의 성능이 우수하다고 볼 수 있다. 둘째, 기존 방법과 제안된 방법의 심박주기의 표준편차에 따른 비교를 통해 제안된 방법이 기존 방법보다 편차가 작게 나타남을 알 수 있고, 이러한 결과는 거의 모든 피검자들에게서 공통적으로 나타났다.

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