2.2.1 PPG Sensor

PPG는 광전용적맥파로 구동 원리는 반사형과 투과형 두 가지로 나뉜다. 발광부에서 조사한 빛이 혈액에 반사되거나 빛이 지나간 곳에 있는 혈액의 양에 비례하여 변화하는 빛의 양을 수광부에서 측정하고 그것을 변화량에 따른 그래프로 도시하는 것이다. 이상적인 PPG 신호의 한 주기는 <그림 4>와 같다. 본 연구에서는 심박 해석에 유리한 PPG 신호의 Peak 점인 P점을 정밀 분석한다.⁽⁹⁾

그림 4 이상적인 PPG 신호 파형도

Fig. 4 Ideal PPG Signal Waveform

본 연구에서는 그림 4와 같이 상용 PPG 센서 중 반사형인 독일 OSRAM社의 SFH7070 소자를 사용하였다. 최대 5V, 25mA의 신호 출력을 두며, 7.5 x 3.9 x 0.9mm의 크기를 가지고 있다.

2.2.2 Analog Filter

PPG 신호를 측정하여 Raw Data를 안정적으로 받기 위해 Filter를 구성하였다. OP-AMP를 사용한 Active Band Pass Filter를 PPG 신호 주파수 대역에 근접한 0.4Hz 이상, 15Hz 이하로 제한하여 구성하였다. Multiple Feedback 회로이며 Butter- worth 구조를 적용하였다. 증폭 비율을 원신호 대비 200배로 적용하였고, 위 Filter를 거쳐 나온 Data를 본 논문에선 Raw Data로 명명한다.

그림 5 PPG 반사형 개념도(좌), SFH7070(우)

Fig. 5 PPG Reflective Diagram(left), SFH7070(Right)

그림 6 Analog Filter 회로

Fig. 6 Analog Filter Circuit

그림 7 PCB 3D 모델 앞면(왼), 뒷면(중간), Layout(오른)

Fig. 7 PCB 3D Model Front(L), Back(M), Layout(R)

2.2.3 MCU

신호 취득 및 분석을 위한 IIR Filter, Zero Phase Filter 등 여러 기능을 사용하기 위해 스위스 STMicroelectronics社의 STM32F411RET6U 칩을 사용하였다. 해당 MCU를 사용하여 100MHz의 Clock 속도로 ADC, UART, Timer, FPU(Floating Point Unit), Math Function을 사용하였다.

2.2.4 PCB

PCB는 Printed Circuit Board의 약자로 그림 3 시스템 블록도에선 Device로 표현되었다. 모든 Analog Circuit은 그림 7과 같이 PCB 위에 배치되어있으며 추가적인 주변 회로를 구성하였다. 주변 회로는 3.3V의 전압원과 Analog Input, Tx, Rx 등을 위한 포트를 배치하였고, 회로의 안정성을 위한 EMI(Electro Magnetic Interference) 제어 설계를 진행하였다.

2.3.1 IIR Filter

IIR Filter는 Infinite Impulse Response Filter의 약자이다. 이는 Digital Filter이며 피드백 회로를 포함한다. 이 Filter는 Sampling 개수, 주기, 필터 차수 등의 설정을 요구한다. 이번 연구에서는 10Hz 이하를 기준으로 Low Pass Filter를 구성하였으며, 신호 Sampling 개수는 6000개, 주기는 100Hz, 필터 차수는 4단으로 하였다.⁽¹⁰⁾

수식 1은 다음과 같다. P의 Feed Forward Filter 차수와 Q의 Feedback Filter 차수를 가지는 IIR 출력은 i차, j차 지연된 입력값과 상관계수의 곱을 합한 것이다.

IIR Filter는 MCU의 CMSIS-DSP 라이브러리를 활용하여 설계하였다. 그림 8과 같이 Biquad Filter의 Direct Form 2를 적용하였고, 부동 소수점 연산을 하기 위해 전치 형태로 변환하여 사용하였다.

그림 8 Biquad Filter의 Direct Form 2 블록도

Fig. 8 Direct Form 2 Block Diagram of Biquad Filter

2.3.2 Zero Phase Filter

Zero Phase Filter는 영위상 필터라고 불린다. 필터링 후 모든 통과 대역에서 위상 변화가 없는 Filter를 의미한다. 통상 대부분의 Filter를 통과하게 되면 위상 지연이 발생한다. 이는 원신호 대비 신호의 왜곡으로 비치는 부분이며, 실시간 계측에 있어 큰 문제를 초래할 수 있다. 이를 해결하고자 적용하는 Filter가 Zero Phase Filter이다.

필터링 방식은 다음과 같다. 시간의 흐름에 따라 정렬된 Data를 특정 함수를 사용하여 Filter Delay를 색출하고, 이 Delay가 일정한지 주파수 변화에 종속적인지 구분한다. IIR에 대한 Filter Delay는 주파수 변화에 종속이며, 이를 확인한 만큼 입력 신호에 추가하여 Delay를 보상해주는 것이 Zero Phase Filter이다. 이에 대한 수식은 다음과 같다.

그림 9는 Zero Phase Filter의 수학적 모델링이다. 이를 위해 Raw Data와 IIR Filter Data를 PC로 전송한 후 Matlab software를 사용하여 Data를 필터링하였다.

그림 9 Biquad Filter의 Direct Form 2 블록도

Fig. 9 Direct Form 2 Block Diagram of Biquad Filter

그림 10 발목 부위 PPG 신호 측정 모습

Fig. 10 PPG signal measurement at the ankle

2.3.3 기타 Firmware

STM32F411RET6U 대응하며, ADC, UART, Timer, FPU (Floating Point Unit), Math Function 기능을 사용할 수 있게 구현하였다.

ADC는 총 1개의 Channel을 사용하였다. Clock은 100MHz를 APB2 Prescaler에 할당하고, ADC Prescaler의 1/10배를 적용해 10MHz로 할당시켰다. Sampling Time은 55.5Cycles로 설정하여 구현하였다.

Timer는 ADC와 마찬가지로 100MHz를 할당하여 사용하였으며, 100Hz 주기로 동작하기 위한 조건을 설정하였다.

UART는 8Bit, Baud Rate는 115200Bit/s로 설정하여 PC로 통신할 수 있는 조건을 구현하였다.

FPU(Floating Point Unit), Math Function 등의 기능은 CMSIS- SP 라이브러리를 적용하여 사용하였다.

위 기능을 사용하기 위한 드라이버는 모두 STM社에서 제공하는 HAL Driver를 사용하였다.

2.5.1 Data 그래프 결과

그림 11은 실험자 1의 Raw Data, IIR Filter Data, Zero Phase Filter Data를 그래프로 도시한 것이다. X축은 데이터의 Sampling 개수(시간의 흐름)를 의미하며, Y축은 측정된 전압의 크기를 나타낸다. 가시성을 높이기 위해 총 6,000개의 Sampling 중 300개를 추출하여 도시하였다.

Raw Data에 해당한 검은색 그래프 라인을 기준으로 IIR Filter Data의 파란색 그래프는 Delay가 존재하는 경향성을 확인 할 수 있다. 반면 Zero Phase Filter Data에 해당한 빨간색 그래프는 검은색 그래프와 상당히 일치하는 모습을 확인할 수 있다.

그림 11 실험자 1의 PPG Data 그래프

Fig. 11 PPG Data Graph of Experimentor 1

2.5.2 FFT 그래프 결과

그림 12와 그림 13은 실험자 1의 Raw Data, IIR Filter Data, Zero Phase Filter Data를 각각 FFT에 적용한 모습이다. X축은 Frequency(Hz), Y축은 Amplitude를 의미한다. 가시성 향상과 분석을 위해 총 6,000개의 Sampling을 적용하여 0~15Hz까지 도시한 그래프와 10 ~ 15Hz까지 도시한 그래프를 추출하였다.

Raw Data는 검은색, IIR Filter Data는 파란색, Zero Phase Filter Data는 빨간색 그래프이다. 전체적인 그래프 양상은 비슷하며, DC Bias 전압 구간을 제외하고, 심박 주파수 범위에 해당한 1.3Hz에서 가장 강한 신호의 세기가 검출되었다.

그림 12 실험자 1의 FFT Data 그래프 0~15Hz

Fig. 12 FFT Data Graph 0~15Hz of Experimentor 1

그림 13을 보면 10Hz 이하의 성분만 통과시키는 IIR Filter의 특성을 확인할 수 있다. 또한, Zero Phase Filter 역시 IIR Filter 결과와 유사하게 입력 데이터의 주파수 특성을 유지하는 것을 알 수 있다.

그림 13 실험자 1의FFT Data 그래프 10~15Hz

Fig. 13 FFT Data Graph 10~15Hz of Experimentor 1

2.5.3 Peak 점 비교 결과

그림 14는 그림 11을 기준으로 Peak 점을 검출하여 그래프에 도시한 것이다. 마찬가지로 전체 6,000개의 Sampling 중 300개를 추출하여 도시하였다.

IIR Filter Data는 Raw Data의 P점 대비 Delay가 X축 기준으로 약 10 Samples 정도의 Delay가 존재하는 경향성을 확인할 수 있다. 반면 Zero Phase Filter Data는 Raw Data의 P점 대비 Delay가 약 1 Sample 정도 존재하는 경향성을 확인 할 수 있다.

그림 14 실험자 1의 Peak Data 그래프

Fig. 14 Peak Data Graph of Experimentor 1

표 1은 총 10명의 실험자의 총 6,000개 Sampling 중에서 모든 Peak 점을 검출하여 평균 계산한 정리한 표다.

각 Raw Data와 Filter Data의 Peak 점 차이를 평균 계산 한 결과, IIR Filter Data는 8.77 Samples, Zero Phase Filter Data는 0.74 Samples의 차이를 나타냈다. 이는 시간으로 환산 시 약 0.08초의 Delay가 있음을 나타낸다.