One of the most important issues in the wearable healthcare sensors for continuous monitoring in daily life is motion artifact reduction. In this thesis, reflective-type photoplethysmographic (PPG) Sensor with motion artifact reduction algorithm on the wrist for measuring heart rates. The designed device is proposed which able to detect signals reliably and stably against motion artifact for monitoring on the wrist. Radial artery is the most optimal places for the integrated PPG sensor, because when light is emitting to the skin over radial artery, light pathway is the shorter than other area and intensity of reflected light is higher.
Active noise cancellation algorithm was applied to compensate the distorted signals by motions with Least Mean Square (LMS) adaptive filter ($8^{th}$ order) algorithms, using accelerometer data. Since the wrist is generally more invulnerable to motion artifacts than finger, measurements were performed radial artery in the wrist because of strong intensity of reflected light. The Active noise cancellation algorithm validity testing is done through computing the cross-correlations and zero-crossing peak detection between the distorted signals and reference signal from ECG.
The experiments were performed on 5 humans, repeated 5 times with two different protocols of walking and running. Correlation coefficients are applied to evaluate the device and coefficients are very high over 0.8. As a result, designed device is effective enough to reduce the motion artifacts. The developed reflective-type sensor is suitable for integration of ubiquitous healthcare system, which provides a continuous health monitoring and diagnosis in daily life.
PPG 는 피부의 광학적 특성을 이용하여 혈관에 흐르는 혈류량을 측정함으로써 심박 활동 상태를 알 수 있는 방법으로 비침습적, 센서의 작은 크기, 부착위치 등의 장점으로 인해 센서 개발에 용이하다. PPG의 원리는 심장박동으로 인해 혈관의 용적이 변할 시 광원을 신체에 발광하면 생체 조직은 빛의 일부를 반사 및 투과하는 특성이 있어 혈관 용적 변화에 따른 빛의 감광량의 변화를 광 센서에서 감지하여 맥박을 측정할 수 있다. PPG 는 빛을 방출하는 LED와 방출된 빛을 감지하는 광센서로 구성되고 이 두 요소의 위치에 따라 투과형과 반사형으로 구분한다. 투과형은 발광부와 수광부가 피부조직을 사이에 두고 반대편에 위치하여 귀, 손가락, 발가락과 같은 신체의 말단부위에만 측정할 수 있는 한계를 가진다. 반면 반사형은 발광부와 수광부가 나란히 위치하여 신체의 말단 부위뿐만 아니라 혈관이 분포한 몸의 중심부 부위에서도 사용할 수 있고, 측정된 신호는 빛이 반사되는 거리가 투과형에 비해 짧고 반사속도가 빠르므로 움직임에 의한 잡음의 영향을 덜 받는 장점을 가진다. 기존에 개발한 PPG 모니터링 장치는 대부분 손가락 착용형 방법 이었으나 이는 일상생활에서 사용하기에 불편함을 느끼고 피측정자의 움직임으로 인한 생체신호와 주파수 성분의 중첩 및 복잡한 조합의 물리적 힘에 의하여 신호가 왜곡 되어 정확한 PPG 신호의 획득이 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 착용시 불편함을 줄이고자 손가락이 아닌 손목에 센서가 위치한 반사형 생체 정보 모니터링 장치를 개발하는 것이다. 또한 동잡음을 제거하기 위해서는 3축 가속도계를 이용하여 신체의 움직임을 측정하여 왜곡된 신호와의 상관관계를 살펴보고 최소 평균자승법(Least Mean Square, LMS) 적응필터를 적용한 능동잡음제거 방식을 이용하여 움직임에 의한 생체 신호 왜곡 현상을 보상할 것이다. 왜곡된 신호의 복원 정도를 알기 위해 걷는 동작과 뛰는 동작을 반복해본 결과 제안한 방법은 PPG의 주기보다 높은 주파수의 동잡음 제거에 효과적이고, 팔의 움직임 등의 낮는 주파수에 대한 주기 검출에 우수한 성능을 가짐을 확인했다. 이 생체 신호 측정장치는 반사형 센서로 신체의 말단부위에만 부착이 가능한 투과형에 비해 착용부위에 대한 제한이 없고, 손목에 센서가 위치하므로 시계와 결합하여 상용화 할 수 있는 가능성 있어 착용시 불편함을 해소 할 수 있다. 또한 걷기와 뛰는 동작이 반복되는 일상생활에서도 정확한 신호를 얻는데 효과적이므로 유비쿼터스 헬스 케어 서비스와 결합에 적합하며 또 수술시에 동맥의 생체신호를 실시간으로 측정 하는데 용이하다.
