[논문]광원 스위칭을 통한 PPG출력 파형개선에 관한 연구

윤상일; 남현도; 김경호

광원 스위칭을 통한 PPG출력 파형개선에 관한 연구
Studies on the improvement of PPG by using swithching device for light source. 원문보기

윤상일 (단국대) , 남현도 (단국대) , 김경호 (단국대)

본 연구에서는 맥박 측정에서 생기는 잡음들 중 많은 오류를 생기게 하는 동잡음 개선을 위하여 회로를 제안하고 설계하였다. 기존의 맥박추정 장비에서 가변저항, 광원 스위칭, 디지털 필터를 사용함으로써 정확도 향상을 위한 연구를 하였다. 손가락에서 광전용적맥파를 측정시 측정부의 광원을 2개를 사용하고, 이를 스위칭을 통해 파형을 측정을 하였다. 실험에서 PPG의 측정은 반사형 방식을 사용하고 이를 광원스위칭을 통해 신호를 받아들였다. 이를 저주파통과필터와 고주파통과필터를 사용하여 0.5~5Hz대역을 필터링 함으로써 PPG이외의 잡음을 제거하고 신호를 검출하였다. 검출된 파형을 지수가중이중필터로 필터링을 함으로써 정확성을 높였다. 이를 통하여 광원스위칭을 통한 PPG의 출력과 발광다이오드 한 개를 사용한 출력을 비교 분석을 보여줄 것이다.

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문제 정의

본 연구는 기존의 단일 발광다이오드가 아닌 2개의 발광다이오드를 스위칭을 통하여 맥박을 측정하는 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 파형의 측정을 하기 위하여 움직임을 최소한으로 하고 최대한의 동일측정부위에서 재측정이 가능하도록 하였다.

제안 방법

96MHz의 Clock과 32bit의 연산이 가능하고 Cortex-m3를 탑재한 Mbed LPC176모듈을 사용하고 MCU에서 디지털필터와 광원스위칭을 사용하였다.
PPG검출회로는 센서부와 회로부로 나누어 설계 제작하고, 센서부에서 맥파와 MAX4614를 통한 광원 스위칭을 실행하고, 회로부에서 증폭 및필터와 광원스위칭 회수를 조절하도록 하였다.
아날로그회로를 통한 max4614를 사용 시 측정대상자에 불편이 없도록 수광부의 반대편에 광원스위칭을 사용하게 하였다. 또한 940nm과 660nm파장을 가진 광원에서 나오는 값을 각각의 증폭을 다르게 하지 않고 사용할 경우 파형의 일그러짐이 있으므로 처리부에서 각각 다른 증폭을 가지도록 했다.
PPG 측정에서 사용된 발광소자는 기존 PPG측정 장비 시 940nm의 파장을 가진 IR-LED를 사용하였으며, 스위칭광원을 사용한 회로는940nm과 660nm의 파장을 가진 LED센서를 사용하였다. 또한 PPG의 주파수 성분은 0.5Hz~5Hz를 가지기 때문에 수광소자에서 잡음이 섞이기 쉽기 때문에 저주파 통과필터와 고주파통과 필터를 증폭과 같이 사용하여 아날로그 회로에서 받아들이는 PPG를 검출 시 잡음의 영향을 최소화 하였다.
기존의 한 개의 LED를 사용할 시 MCU에서는 필터만 가능하게 했으나 아날로그단에서 광원스위칭 사용시 MCU에서는 필터와 맥파의 Peak검출 및 광원 스위칭을 가능 하도록 하였다. 맥박 추정 시 미세한 시간변화에도 민감하게 반응하여 맥박이 일정한 값으로 나타나지 않게 되므로 최근 추정된 맥박 정보를 지수가중이중필터를 통해 최종 맥박을 추정할 수 있도록 하였다.
먼저 저주파 통과 필터와 고주파 통과 필터를 사용하여 원하는 주파수대역을 잡고 이를 증폭 할 수 있는 회로를 구성하였다. 하지만 사람마다 다른 신체적 조건이 다르고 2개의 광원에서 반사되어 나오는 PPG 출력값이 다르므로 이를 동일하게 볼 수 있도록 따로 증폭을 잡았다.
max4614는 고속으로 광원을 스위칭하는 소자이다. 본 연구에서 아날로그회로 측정부에 광원스위칭을 부착시키고 디지털에서 스위칭 횟수를 조절하여 사용했다. 아날로그회로를 통한 max4614를 사용 시 측정대상자에 불편이 없도록 수광부의 반대편에 광원스위칭을 사용하게 하였다.
본 연구에서는 이동평균필터 중 지수가중이동평균필터를 사용하여 정보에 따른 가중치를 따로 주어 필터의 성능을 조절 할 수 있게 하였다. 고주파의 잡음을 제거한 추세선을 얻을 수 있어 보다 유용한 정보를 얻을 수 있기 때문에 1차 저주파 통과필터라고 부르기도 한다.
본 연구의 실험은 편안하고 움직임이 없는 상태에서 5분간 휴식을 취하고 광원스위칭이 없는 제작된 디바이스를 왼쪽손가락에 측정하고 오른쪽손가락에 환자감시장치를 측정하여 정보를 기록한다.
이후 MAX4614를 통한 광원스위칭 디바이스를 왼쪽손가락에 측정한 뒤 MCU에서 나온 파형을 광원스위칭이 없는 디바이스와 비교 분석하였다.
먼저 저주파 통과 필터와 고주파 통과 필터를 사용하여 원하는 주파수대역을 잡고 이를 증폭 할 수 있는 회로를 구성하였다. 하지만 사람마다 다른 신체적 조건이 다르고 2개의 광원에서 반사되어 나오는 PPG 출력값이 다르므로 이를 동일하게 볼 수 있도록 따로 증폭을 잡았다.

대상 데이터

PPG 측정에서 사용된 발광소자는 기존 PPG측정 장비 시 940nm의 파장을 가진 IR-LED를 사용하였으며, 스위칭광원을 사용한 회로는940nm과 660nm의 파장을 가진 LED센서를 사용하였다. 또한 PPG의 주파수 성분은 0.

이론/모형

본 연구에서는 반사형 PPG측정방식을 사용하였다. 이는 반사형과 투과형의 차이가 있기 때문인데 반사형은 발광부와 수광부가 같이 있기 때문에 측정부를 만들시 사이즈를 작게 만들 수 있고 또한 수광부에서 읽히는 빛이 직접적으로 받아들여지기 때문에 투과형보다 잡음이 적고 더 광범위하게 다른 신체부위에도 측정이 가능하다.

성능/효과

이를 기초로 측정부에서 고속스위칭과 기존 측정 디바이스를 설계, 제작하여 정확성을 높이는 연구를 하였으나 고속스위칭을 통한 단일 파형은 오히려 기존 회로보다 하향된 정확도를 가지게 되었다. 그러나 고속스위칭할 경우 움직임을 가졌을 때 PPG의 파형은 기존의 파형보다 개선이 되어 나타났다.
순수한 파형을 증폭시 남아있던 잡음 또한 같이 증폭이 되므로 이를 필터링하기 위하여 디지털필터를 사용하였다. 다양한 디지털 필터 중 지수가중이중필터를 사용하여 가중치에 따른 필터의 성능을 조절하고 PPG의 방향성을 해결할 수 있었다.

후속연구

추후 연구에서는 광원 스위칭을 통한 단일파형 대신 2개의 파형으로 분리하여 정확도에 대한 연구를 진행 할 것이며, 또한 MAX4614를 통한아날로그가 아닌 디지털을 통한 회로 구성의 소형화를 연구할 것이다.

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