The photoplethysmography (PPG) signal exhibits the human vascular activity using the parameters extracted from the PPG waveform. However, the reflectance type PPG signal is liable to be distorted by noise. In this work, we present the optical low angle pass filter (OLAPF) for high signal-to-noise ratio photoplethysmography (PPG) monitoring. The highly scattered light, which loses their directionality under the human tissue act as a noise in PPG signal. The OLAPF can cut-off these scattered light using their non-directionality. The OLAPF was designed by the ray-optics analysis and numerical analysis. The fabrication of the OLAPF was done by using guided resist reflow and soft lithography method. To figure out the difference between with and without OLAPF, we made the conventional PPG sensor, which can be changed the glass on the photodetector to the OLAPF. As a result, the in-band noise overlapped the signal bandwidth of 0.5 Hz to 4 Hz with OLAPF is 2 times smaller than without the OLAPF. The low-frequency power spectral density, which has bandwidth of 0 Hz to 0.4 Hz of PPG signal with OLAPF is 3 times smaller than without OLAPF. This device can be applied not only PPG signal but also NIRS to improve the signal resolution.
본 연구에서는 높은 신호 대 잡음비를 가지는 광용적맥파 센서를 위한 저각도 광학 투과필터를 시뮬레이션과 광학분석을 통해서 디자인하고 필터를 포토 리소그래피 공정을 통해서 필터를 제작했다. 필터를 제작하기 위해 마이크로프리즘 어레이를 열경화성 물질과 열가소성 물질을 이용한 열처리 방법과 소프트 리소그래피를 이용한 전사를 통하여 제작하고 열증착 방법을 통해서 프리즘 어레이 상부에 불투명한 알루미늄 거울을 형성했다. 제작된 필터가 광용적맥파 센서에 미치는 영향을 확인하기 위해서 포토 디텍터와 발광다이오드로 이루어진 일반적인 광용적맥파 센서를 제작한 후 포토 디텍터 상부의 물질을 바꿔가며 광용적맥파 신호를 측정했다. 그 결과, 신호 자체의 크기 변화없이 광용적맥파 신호의 주파수와 겹쳐진 노이즈가 2배 감소함을 확인할 수 있었고 주파수 분석을 통해서 저주파의 노이즈가 3배 감소한 것을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 저각도 광학필터를 이용한다면 혈관활동의 지표가 되는 변수를 효과적으로 얻을 수 있음을 알 수 있다. 또한, 저각도 광학필터는 광용적맥파 센서 뿐만 아니라 피부 아래의 활동을 외부에서 측정하기 위해 사용되는 근적외선분광기에도 사용이 되는 걸 기대 할 수 있다.
