Smartphone-Based Heartrate Monitoring Systems Using PPG and HMA

Abstract

심박수는 심장질환 진단을 위한 중요한 활력징후이다. AHA(American heart association)에 따르면 세계적으로 가장 높은 사망원인은 심장 질환으로 연간 약 1,730만 명이 심장질환 으로 사망에 이른다고 한다[28]. 심장 질환의 방지를 위해서 심박수의 정기적인 측정과 관리는 매우 중요한 일이다. 심박수를 정기적으로 측정하고 관리하는 제일 좋은 방법은 어떤 의학 전문가의 도움 없이도 일상 생활에서 쉽고 편리하게 측정할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다[29]. 2014년과 2019년 사이 인구 20억 이상이 사용할 것으로 전망되는 스마트폰은 이런 목적으로 사용될 수 있는 이상적인 기기이다. 더욱이, 최근 스마트폰은 다양한 센서 및 빠른 프로세서를 탑재하고 있어 심박수 측정에 최적화 되어있다. 본 논문은 스마트폰을 사용하여 심박수를 효율적으로 측정하는 두 가지 형태의 시스템을 제시한다. 두 시스템 모두 기본적으로 스마트폰에 내장된 카메라를 입력 센서로 이용한 다. 첫 번째 시스템은 심박수를 측정하기 위하여 PPG(Photo-plethysmography)를 이용한다. PPG 기술은 심장 맥박 도중 혈액 양의 변화를 분석해서 심박수를 측정한다. 그러나, 현 존하는 PPG 기술은 심박수를 측정하는데 많은 시간을 요구한다. 그러므로 빠른 속도의 하드웨어가 내장된 고성능 스마트폰에서만 효과적으로 사용될 수 있다. 고성능 스마트폰 의 소비자층은 주로 2-30대 젊은 층인 것에 비해 심박수 측정이 필요한 그룹은 주로 보 급형 스마트폰을 이용하는 중장년 또는 60대 이상의 노인층이다. 이 논문에서는 적은 계 산 시간을 필요로 하는 개선된 PPG 기술을 제안한다. 제안된 PPG 기술은 어떤 스마트폰 에서도 실행할 수 있고 기존 시스템 보다 더 나은 정확도를 가진다. 두 번째 시스템은 HMA(Head Motion Analysis) 기술을 이용한 시스템으로 참고 문헌 [20] 에 처음 발표되었다. 저자는 심장 맥박에 기인한 미세한 머리의 움직임을 분석해서 심박 수를 측정했다. 그러나, 이 방법은 스마트폰이 아닌 데스크탑 컴퓨터에서 실행하기 위하 여 제작되었다. 컴퓨터에 내장된 카메라로 진행된 이 실험은 흔들림이 없이 고정되어 있 는 고화질의 카메라로 머리의 움직임을 쉽고 정확하게 추적할 수 있었다. 본 논문에서는 HMA 기반 심박수 측정 시스템을 데스크탑 컴퓨터와 고정된 카메라가 아닌 스마트폰과 내장 카메라를 이용하여 구현한다. 스마트폰에서는 카메라를 쥐고 있는 손의 떨림 때문 에 머리의 움직임을 측정 하는 것이 어렵고 측정 결과 또한 부정확하다. 본 논문에서는 손의 떨림 문제를 처리하는 방법을 제안한다. 손 떨림 문제는 고정된 배경을 머리의 움 직임과 함께 측정해서 분석한 후 머리의 움직임을 보정(손 떨림에 의한 움직임 제거) 처리함으로써 해결한다. 실험 결과, 세부 과정(신호 선별 과정)의 한계로 심박수 측정의 정 확도는 기존 데스크탑 컴퓨터를 사용한 시스템에 비해 다소 떨어지지만, 본 논문에서 제 안된 손 떨림 보정을 통해 20%의 정확도 개선이 가능함을 확인하였다.