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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김경호
- 발행연도
- 2015
- 저작권
- 단국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수3
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본 논문에서는 요골동맥에서 측정한 광전용적맥파(Photoelectric Plethy- smography, 이하 PPG)를 통하여 맥박추정의 정확도 향상을 위한 연구로써 기존의 맥박추정 장비에서 디지털 가변저항, 디지털필터, 가속도센서, 고속 MCU를 추가로 사용함으로써 정확도가 향상 되었다.
PPG의 측정방법은 요골동맥에서 반사형 방식을 이용한 것으로써, 적외선 LED에서 방출된 빛이 요골동맥의 피부, 뼈, 혈관 등에 부딪혀 반사되는 빛 을 포트트랜지스터에서 수광하여 전기적 신호로 바꾸어준다. 바꾸어진 신호는 우리가 필요로 하는 신호 이외에도 잡음이 섞여있기 때문에 이를 제거하고 사용하기 위하여 저주파통과필터와 고주파통과필터를 이용하여 0.5~5Hz 대역의 신호를 검출하였다.
검출된 파형은 피부나 혈관의 두께 등 신체적 조건이 다르기 때문에 사람 마다 PPG파형의 크기가 다르게 나온다. 이처럼 크기가 다른 파형을 이용하 여 알고리즘을 개발하기에는 많은 제약이 생기게 된다. 본 논문에서는 디지 털 가변저항을 이용하여 증폭비를 조절함으로써, 사람마다 다른 파형의 크기 를 일정하게 검출 할 수 있도록 만들었다.
아날로그 회로에서 검출된 파형은 60Hz대역의 전원잡음 및 외부잡음에 의해 왜곡된 파형을 아날로그 디지털 변환기를 통해 디지털 값으로 획득하 면 오류가 발생 할 수 있기 때문에 지수가중이동 평균필터를 이용하여 한번 더 필터링 함으로써 맥박 추정의 정확성을 높일 수 있었다.
또한, 가속도센서를 이용하여 움직임에 의한 파형의 왜곡현상을 해결 할 수 있었다. 기존에 움직임에 의한 왜곡된 파형을 복원을 하기 위한 많은 연 구가 이루어졌으나 명확하게 해결할 수 있는 방안이 제시되지 못했다. 그렇기 때문에 본 논문에서는 왜곡된 파형을 복원을 하기 보다는 움직임이 감지 되면 측정된 값을 사용하지 않고 무시하여 맥박을 추정하는데 필요한 파형 만을 검출 할 수 있도록 하였다.
이처럼 맥박추정의 정확성을 높이기 위해서는 연산처리가 빠른 고속 MCU가 필요로 하다. 기존 실험에서 이용하였던 연산처리속도가 16MHz의 Atmega128에서 96MHz의 ARM Coretex-M3인 Mbed LPC1768 Module을 이용함으로써 정보의 누락을 최소화 하고 샘플링 주기를 빠르게 함으로써 정확한 맥박을 추정 할 수 있었다.
본 논문에서는 개발한 디바이스를 통하여 맥박 추정을 만족할 만한 성과 를 얻었으나 MCU Chip소자를 그대로 사용하지 않고 모듈을 이용함으로 써 제작한 디바이스의 크기를 소형화 하지 못하였다. 이후 지속적인 개발을 통하여 시계 타입의 맥박추정 디바이스를 개발 해야 할 것이다.
PPG의 측정방법은 요골동맥에서 반사형 방식을 이용한 것으로써, 적외선 LED에서 방출된 빛이 요골동맥의 피부, 뼈, 혈관 등에 부딪혀 반사되는 빛 을 포트트랜지스터에서 수광하여 전기적 신호로 바꾸어준다. 바꾸어진 신호는 우리가 필요로 하는 신호 이외에도 잡음이 섞여있기 때문에 이를 제거하고 사용하기 위하여 저주파통과필터와 고주파통과필터를 이용하여 0.5~5Hz 대역의 신호를 검출하였다.
검출된 파형은 피부나 혈관의 두께 등 신체적 조건이 다르기 때문에 사람 마다 PPG파형의 크기가 다르게 나온다. 이처럼 크기가 다른 파형을 이용하 여 알고리즘을 개발하기에는 많은 제약이 생기게 된다. 본 논문에서는 디지 털 가변저항을 이용하여 증폭비를 조절함으로써, 사람마다 다른 파형의 크기 를 일정하게 검출 할 수 있도록 만들었다.
아날로그 회로에서 검출된 파형은 60Hz대역의 전원잡음 및 외부잡음에 의해 왜곡된 파형을 아날로그 디지털 변환기를 통해 디지털 값으로 획득하 면 오류가 발생 할 수 있기 때문에 지수가중이동 평균필터를 이용하여 한번 더 필터링 함으로써 맥박 추정의 정확성을 높일 수 있었다.
또한, 가속도센서를 이용하여 움직임에 의한 파형의 왜곡현상을 해결 할 수 있었다. 기존에 움직임에 의한 왜곡된 파형을 복원을 하기 위한 많은 연 구가 이루어졌으나 명확하게 해결할 수 있는 방안이 제시되지 못했다. 그렇기 때문에 본 논문에서는 왜곡된 파형을 복원을 하기 보다는 움직임이 감지 되면 측정된 값을 사용하지 않고 무시하여 맥박을 추정하는데 필요한 파형 만을 검출 할 수 있도록 하였다.
이처럼 맥박추정의 정확성을 높이기 위해서는 연산처리가 빠른 고속 MCU가 필요로 하다. 기존 실험에서 이용하였던 연산처리속도가 16MHz의 Atmega128에서 96MHz의 ARM Coretex-M3인 Mbed LPC1768 Module을 이용함으로써 정보의 누락을 최소화 하고 샘플링 주기를 빠르게 함으로써 정확한 맥박을 추정 할 수 있었다.
본 논문에서는 개발한 디바이스를 통하여 맥박 추정을 만족할 만한 성과 를 얻었으나 MCU Chip소자를 그대로 사용하지 않고 모듈을 이용함으로 써 제작한 디바이스의 크기를 소형화 하지 못하였다. 이후 지속적인 개발을 통하여 시계 타입의 맥박추정 디바이스를 개발 해야 할 것이다.
목차
I. 서론 1II . 본론 41. 맥파 측정 원리 41) 맥파 42) 광적용적맥파 측정 방법 및 회로 62. 디지털 가변저항 91) 디지털 가변저항의 필요성 92) 맥파 전압 조절 시스템 설계 133. 디지털 필터 171) 디지털 필터의 필요성 172) 지수가중이동평균필터 183) 디지털 필터 설계 204. 가속도 센서를 통한 움직임 감지 211) 움직임 감지의 필요성 212) 가속도 센서 213) 움직임 감지 센서 설계 235. 고속 MCU의 활용 251) 고속 MCU의 필요성 252) Cortex-m3 기반의 Mbed LPC1768 266. 최종 회로 및 소스 설계 291) 최종 회로 292) 프로그래밍 설계 313) 출력 정보 337. 실험 결과 341) 실험 조건 342) Patient Monitor 와의 성능 비교 353) 움직임에 의한 맥박 추정 결과 364) 실험 결과 37III. 결론 39참고문헌 41영문요약 42
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