다중 채널 센서 기반 광용적맥파 측정 시스템의 동잡음 제거 기술 개발

Abstract

현재 헬스케어 분야에서 많이 활용되고 있는 웨어러블 기술은 사람의 신체에 기기를 착용하고, 생체신호를 측정하는 기술을 말한다. 웨어러블 기기에서 주로 사용되는 생체신호는 광용적맥파, 심전도 등이 있다. 그중에서도 광용적맥파는 웨어러블 환경의 측정에서 다음과 같은 여러 가지 이점을 가지고 있다. 광용적맥파는 신호 측정 시 측정부위와 센서가 한 개의 접점으로 이루어진다. 그리고 빛을 이용하는 특성 상 신체와 측정기기가 전기적으로 절연되어 측정된다. 따라서 광용적맥파는 편의성, 안정성 측면에서 강점을 갖는 신호로서 웨어러블 기기에 널리 적용되고 있다. 그러나 투과 혹은 반사되어 나오는 광량의 변화를 측정하는 신호이기 때문에 주변 광 간섭이나 움직임에 의하여 신호가 왜곡되기 쉽다는 한계점이 존재한다. 따라서 이와 같은 잡음을 제거하기 위한 여러 연구들이 진행되고 있다. 대부분의 기존 연구들은 단일 채널의 광용적맥파를 이용하거나, 가속도 값을 이용하여 동잡음 제거 연구를 수행하였다. 그러나 단일 채널 신호를 통한 동잡음 제거 연구는 복원 성능에 한계가 존재하고, 가속도를 이용하기 위해서는 추가적인 센서가 필요하다는 한계점이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 다 채널 광용적맥파 측정 시스템을 개발하고, 이를 기반으로 한 다 채널 동잡음 제거 알고리즘을 제시하였다. 또한 알고리즘의 동잡음 제거 성능 평가를 위한 심전도 측정 시스템을 개발하였다. 본 연구에서는 다 채널 광용적맥파 측정 시스템을 이용하여 서로 다른 피부 침투 깊이의 광용적맥파를 측정하고 상, 하, 좌, 우 방향에서 광용적맥파를 측정하여 피부 내 서로 다른 위치에서 광용적맥파를 측정하였다. 이를 기반으로 독립성분분석을 통하여 침투 깊이 별 광용적맥파 신호의 차이로부터 동잡음 신호와 맥동성분을 분리하고, 맥동성분들을 이용한 절단된 특이값분해를 이용하여 동잡음을 제거하는 알고리즘을 적용하였다. 제시한 알고리즘에 대한 성능 평가를 위하여 걷기, 빠른 걷기, 뛰기 동작을 포함한 실험 프로토콜을 설계하였으며, 실험 프로토콜에 따라 광용적맥파를 측정하고, 심전도의 비교를 통해 민감도, 양성예측도, 오류검출률과 같은 동잡음 제거 알고리즘 성능 평가 지표를 추출하였다. 실험 프로토콜에 따라 측정된 광용적맥파에 제시하는 알고리즘을 적용하였을 때 걷기 프로토콜에서 민감도가 99%, 양성예측도가 99.55%, 오류검출률이 0.45%로 나타났고, 이 결과는 기존에 널리 사용되고 있는 독립성분분석 알고리즘보다 1.35%, 0.52%, 0.55% 더 높은 성능을 보였다. 빠른 걷기 프로토콜에서는 민감도가 96.28%, 양성예측도가 99.06%, 오류검출률이 0.78%가 나타났고 이는 기존 알고리즘에 비하여 0.86%, 0.18%, 0.18% 더 높은 성능을 나타냈으며, 움직임이 가장 많이 발생하는 달리기 프로토콜에서는 민감도가 82.49%, 양성예측도가 99.83%, 오류검출률이 0.17%가 나타났고 이는 기존 알고리즘에 비하여 2.51%, 0.02%, 0.02% 더 높은 성능을 보였다. 따라서 본 연구에서 제안하는 다 채널 광용적맥파 동잡음 제거 알고리즘을 웨어러블 디바이스에 적용한다면 웨어러블 환경에서 높은 신뢰성을 가진 생체신호를 측정할 수 있을 것으로 기대된다.