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채원 천
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1 연구논문 Journal of the Korean Magnetics Society, Volume 22, Number 5, October 홀센서집게형맥진기요골동맥파에 FFT 를적용한호흡수추출연구 조현성 이상석 * 상지대학교보건과학대학한방의료공학과, 강원도원주시우산동, (2012 년 10 월 8 일받음, 2012 년 10 월 17 일최종수정본받음, 2012 년 10 월 23 일게재확정 ) 영구자석과반도체홀센서가구비된집게형맥진기로얻은맥진파형에고속푸리에변환 (FFT) 을적용하여생체신호인호흡수를추출하였다. 추출된호흡수는맥진파형의형태가항상변화하는요인에의존하는심장의운동에대한오차까지고려하였다. 인위적인호흡수템포 15, 20, 30, 40, 50에각각측정한맥진파형의 FFT 스펙트럼에서피크값과일치하는주파수 Hz, 0.16 Hz, 0.25 Hz, 0.33 Hz, 0.41 Hz와일치하였다. 100 s, 200 s, 300 s 동안얻은맥진파형데이터에서호흡성분추출알고리즘을적용한결과, 시간이긴 300 s에서 FFT 스펙트럼피크가가장크게뾰쪽해지는결과를얻었다. 집게형맥진기가인체의물리적인영향을주는호흡수를추출해내는데유용한기기임을확인하였다. 주제어 : 집게형맥진기, 영구자석, 홀센서, 요골동맥, 맥진파형고속푸리에변환 (FFT), 호흡수, 템포, 추출알고리즘 I. 서론 인간의기본수명이증가하면서전세계적으로고령화가진행되어가고있다. 동시에의료에대한관심과기술이높아지면서동양의학인한방의료공학이새롭게재조명되면서한의학진단분야에서맥진에대한과학화와표준화및객관화의필요성이요구되고있다 [1]. 한의학에서정의하는맥진파형는수십가지가된다. 그중에서현재과학적으로검증된맥진파는소수에불가하다. 맥의빠르기를이용하여한의학적인맥을측정하는기기로현재판매되는맥진기에사용된프로그램에맥진파진단분석알고리즘이들어가있다 [2, 3]. 하지만환자감시장치에표시되는생체신호중하나인호흡수는따로측정하여분석하는데하드웨어적인불편함이존재하므로한방의료기기에서호흡수와관련한진단항목보여주는맥진기의개발이절실히필요하다. 건강한사람들은물리적인폐의움직임으로인한복잡한양상으로심박동수변이 (Heart rate variability; HRV) 를보이는데, 이것은생체의항상성유지를위한반응을반영한다고볼수있다 [4, 5]. 요골동맥의주기적인운동에따라요골돌출부에고정된영구자석의주기적인움직임에의한자기장변화를홀소자가센싱하는집게형맥진기를이용하여맥진파를측정할수있다. 이러한작동원리가적용된손목착용집게형맥진기를이용하여얻은생체신호인혈류속도와맥파전달속도를각각측정한연구결과를본연구진은이미발표하였다 [6, 7]. 집게형맥진기측정의다양성에대한가능성을염두에둔다면요골동맥을누루는압력이강한압력소자가포함된맥 *Tel: (033) , sslee@sangji.ac.kr 진기센서는광용적맥파 (photoplethysmography; PPG) 보다세밀한특성을가지고있기때문에주파수분석을함으로써추출되는호흡수는보다정확할것으로사료된다 [8]. 물리적인폐의움직임인생리학적현상에서맥진파데이터처리로주파수분석을통하여호흡수에대한정보를줄것이라고생각된다. 0.1 Hz 내외의속도로호흡하도록바이오피드백훈련을하면호흡동성부정맥 (Respiratory sinus arrhythmia; RSA) 이극대화되면서심박동수변이의강도를증가시킨다 [9, 10]. 즉, 호흡주기에따라심박동이증가하거나감소하는데, 흡기시는교감신경의긴장항진으로인해심박수가증가하며, 호기시에는미주신경의긴장항진으로인해심박수가감소하는생리학적인현상인 RSA을본연구에서사용하였다. 심장과같은속도로구현되는맥진파의분석에있어서맥진파형이변화한다는것은잘알려져있지만, 변화요인에대한오차까지고려하여분석하는방법에대한연구결과는아직발표되지않았다. 본연구에서는기본적으로인체가행하는호흡이맥진파에미치는영향과새로운호흡신호를추출방법을고안하여신뢰성과정확성을위해 43명의피실험자데이터를확보하여그결과를분석하였다. 본연구에서는맥진기를이용하여인체의호흡주기안에맥박수의값에따라결정되는지맥 ( 호흡주기당 2~3회 ), 삭맥 ( 호흡주기당 6~7회 ) 을구현하는방법을제시한다. 자성을측정하는홀소자로센싱한요골동맥의맥진파를주파수분석으로데이터처리하였고, 이로부터맥진파에대한호흡신호의영향을역이용하여호흡수를추출하는방법을적용하였다. 집게형맥진기에구비되어있는홀센서를통하여수신되는신호에서얻은맥진파데이터처리를주파수분석을이용하여추출한호흡수성분을인위적인호흡수와비교하였다. 178

2 연구논문 홀센서집게형맥진기요골동맥파에 FFT 를적용한호흡수추출연구 조현성 이상석 179 Fig. 1. (Color online) (a) The notation and function of several major parts and (b) the measurement process of acquisition pulse signals by a real clip-type pulsimeter. II. 홀센서가구비된집게형맥진기의특성집게형맥진기에대한영구자석, 홀센서, 측정부분, LED, 디스플레이, USB port, 스위치부분을 Fig. 1(a) 에나타내었다. 집게형맥진기의접촉부분의자기물질은작은원통형영구자석과맥박의진동에따라쉽게변화될수있도록되어있다. 특히피부를국소적으로누르지않기위하여피부접촉부분의표면에탄성이좋고인체피부에적합한실리콘고무하우징를사용하였다. 이고무하우징의중심부분에는지름 2 mm, 높이 1 mm 크기원통모양의영구자석표면에서 1 mm 떨어진곳에서자기장이약 150 Oe를갖도록하였다. 영구자석은요골동맥의 관 부분에위치하도록실리콘고무원판중심에고정시켰다. 손목피부에접촉하는실리콘고무가영구자석중심으로고르게늘어날수있도록측정부위치를조정하였다 [11, 12]. Fig. 1(b) 는실제사람의손목에착용하여맥파신호를측정하는모습을보여준사진이다. 집게형맥진기에사용한홀센서는자기장의세기에선형적인특성을갖고감도가좋은 Allegro사의 A1395 Linear Type을사용하였다 [11, 12]. A1395형홀소자의전기적특성은입력전압에따라출력전압이 0.1~3.2 V 영역범위에서선형적나타내며, 단안정상태출력 (quiescent ouput) 은 1.65 V를가진다. 그리고자기장세기가선형적으로비례하는출력신호를내보내며 10 mv/oe의감도를갖는다. 집게형맥진기의홀센서에사용한전원은 3.2 V 이므로최대로센싱할수있는자기장은 155 Oe(= 3.3 ~1.65 V)/(mV/Oe)) 까지의센싱이가능하다. 그러므로자석과센서사이거리는자석의자기장세기가 155 Oe 이하값을갖는거리를유지하였다. 맥동은요골동맥의단위파형당약 1.13 mm의최대수직변위를나타낸다. 그러므로피부에밀착된자석의최대변위도약 1.13 mm 이내로예상을했다. 원통형 ( 크기 : φ3 1T) Nd- Fe-B-type MAGNET(Taeyang Magnetech Co., Ltd., Grade: N35, Surface field: Br = 1.2 koe) 간의자기장세기의편차를알아보기위해거리별로자기장의세기를측정해본결과자석마다의편차가있음을확인할수있었고센서와의거리가가까울수록편차가커지며거리가멀수록편차가작아졌다. 차이가 100 Oe 이상으로심한부분은 2 mm 이하부분에서나타났으며 3 mm 이상에서는최대값과최소값의차이가 45 Oe로낮아서자석과센서의거리선정시에 3 mm 이상거리를유지시켜야자석간의편차를줄일수있었다 [4, 13]. III. 홀센서맥진파형의 FFT 분석본연구에사용된맥진파형의주파수분석기기는 BIO PAC Systems, INC. 의 MP35를하드웨어로사용하였다. 데이터의분석은 MP35와함께제공되는분석프로그램인 BIO PAC Systems, INC. 의 BSL Pro를사용하였다. 또한가장중요한부분인맥파에대한측정은홀센서를사용한집게형맥진기를이용하였다. 호흡성분이추출되기용이한대역을알아보기위하여실험자는각각다른주파수대역에맞추어고정된호흡을실시하였다. 고정된호흡을인위적으로주기위해서메트로늄프로그램을적용하였다. 그렇게각각의실험자들은 15, 20, 30, 40, 50 탬포 (Tempo) 의속도로고정호흡을실시하였으며맥진파에영향을주는충분한시간인 100 s 이상맥진파데이터를측정하였다. 메트로늄에서의 15, 20, 30, 40, 50 탬포를각각주파수로표현을하면 Hz, 0.16 Hz, 0.25 Hz, 0.33 Hz, 0.41 Hz 이다. Fig. 2(a) 는 40 템포를고정시킨후, 9분30초동안측정한맥진파형을나타낸것이다. Fig. 2(a) 에서대략 2.5~3초간격으로보이는 peak가호흡과관련되는것으로보인다. 이것은일정한시간동안 40 템포인 0.33 Hz 주파수로호흡을하고있을때의집게형맥진기센서부분에서의아날로그신

3 180 한국자기학회지 제22권 5호, 2012년 10월 IV. 맥진파형의 호흡수 추출 알고리즘 5가지의 고정된 임의의 호흡신호들에 대한 FFT 분석을 수 행한 결과인 Fig. 3에서 특이점을 볼 수 있다. Fig. 3에서 각각의 주파수 별로 특별한 피크(peak)를 가지고 있다는 것 과 스펙트럼에 나타나는 피크는 각각의 고정된 호흡의 피크 와 일치하는 것을 볼 수 있다. 이러한 점에서 착안하여 홀센 서가 장착된 집게형 맥진기로 측정된 맥파신호에서 나타나는 호흡성분을 추출하기 위한 알고리즘을 적용하였다. 맥진파형의 호흡추출 알고리즘에 대한 기본적인 과정은 먼 저 데이터를 획득 후의 처리이다. 데이터를 획득한 이 후에 Fig. 2. (Color online) (a) The selected region of pulse waveform measured during 9 m 30 s for a fixed respiratory rate periods of 0.33 Hz (40 tempo). (b) The typical pulse waveform during 5 s in part of (a) pulse wave band. 0.1 Hz 이상의 대역만 통과시키는 작용을 하는 디지털 필터 링을 거친 후 전체 영역에 대한 FFT를 수행한다. FFT의 설 정은 Hamming, Linear, Remove mean, Remove trend 등 의 기능을 이용한다[4]. 이 후에 원래의 심박 주기 중에서 최 소값과 0.1 Hz 이상에서의 y-축 최고점에 대한 x-축(hz) 지 호 변화가 반영된 것으로 볼 수 있다. 한편 Fig. 2(b)에는 점을 호흡의 주파수 영역대로 구분한 전체적인 알고리즘의 순 Fig. 2(a)의 일부분 A 구역인 약 5초간 전형적인 맥진파형을 서도로 Fig. 4에 나타내었다. 확대하여 나타내었다. 이러한 각각의 고정된 임의의 호흡신호 Fig. 4에 나타낸 호흡추출 알고리즘 과정을 거쳐 0.1 Hz 이 들에 대한 고속 푸리에변환(Fast Fourier transform; FFT) 분 상의 대역만 통과시키는 작용을 하는 디지털 필터를 적용하 석하였다[4, 14]. 였다. 전체 영역에 대한 전형적인 FFT 스펙트럼은 Fig. 5에 나타내었다. 이 방식으로 추출된 호흡신호는 주어진 시간 동 안 많은 데이터 얻었기 때문에 보다 정확한 호흡수를 얻을 수 있었다. 100 s, 200 s, 그리고 300 s 동안 얻은 맥진파형 데이터에서 Fig. 4의 알고리즘을 적용한 결과, 호흡성분은 얻 어지는 시간이 길어질수록 FFT 호흡 주파수에 알맞은) 피크 가 뾰족해지는 모습을 볼 수 있었다. 이는 더 많은 데이터를 Fig. 3. (Color online) The FFT spectrum peaks with Hz, 0.16 Hz, 0.25 Hz, 0.33 Hz, and 0.41 Hz corresponding to 15, 20, 30, 40, and 50 tempos. Each indicated peak for five arrows coincides to each respiratory rate, respectively. Fig. 4. The flow chart of algorithm for the extraction of respiratory rate by using FFT spectrum through pulse waveform.

4 연구논문 홀센서집게형맥진기요골동맥파에 FFT 를적용한호흡수추출연구 조현성 이상석 181 다. 맥의파형을분석하기위해서는맥에미치는여러가지요인에대한분석도같이병행하여이루어져야한다. 현재영구자석과홀센서가구비된집게형맥진기로획득한맥진파의경우에, 고정적인호흡을하고있는경우에한해서홀센서에서요골동맥파를획득하였을때의특성에대한첫연구가될것으로보인다. V. 결론 Fig. 5. (Color online) The final spectrum and peak after FFT process on basis of algorithm for the extraction of respiratory rate. The solid lines note region between two cut-off frequencies of 0.1 Hz and 0.7 Hz after the digital filtering process. 통한오차가점점줄어들면서나타나는 FFT 분석의특성이다. 때문에일정한수준이상의시간인 300 s 동안데이터를확보해야하는임계값을보여주었다. 본연구에의하면고정호흡의경우에는 100 s 이하에서는호흡성분이잘나타나지않는경향을보였다. 100 s 이하의 FFT 분석데이터를보게되면맥파의형태조차나타나는것이어렵다는것을알수있다. 따라서안정적인데이터를확보하기위해서는적어도 300 s인 5분간맥진파형데이터를확보하는것이중요함을알수있었다. 실험자들에대하여각각의고정호흡을실시하고데이터를획득하였을때에는한명의경우를제외하고는모든경우에서호흡신호의특성이나타나는것을볼수있었다. 특이한한명의경우, 여러가지동작에의한저역대신호가많아다른보정처리를해야할것으로보였다. 하지만피험자가안정적으로실험에임한다면더욱높은호흡률획득률을보여줄것으로보인다. 그밖에도호흡수추출을위해별도의호흡센서를부착하지않고혈류속도나맥파전달속도를얻어생체모니터링신호로디스플레이하는이점을가지고있을것으로보인다 [13, 14]. 이후의연구는호흡에대한모든영향을배제한맥파를현재의기술로구현해내는것이목표가될것이다. 호흡에대한영향이배제되어있는맥진파에대한정밀한연구가가능해진다면한의학의기술적인과학화에있어서훨씬정밀한결과들에대한분석을할수있을것으로사료된다. 집게형맥진기가가지는이점중의하나인유연성에대한부분에대하여볼때, 측정에의한가압이요골동맥이라는특정부위에만작용하는것이이점이라고할수있다. 현재의맥진기가가지고있는문제점인가압의조절을좀더유연한고무와무게감이적은영구자석과홀센서를이용하여측정을하기때문에이러한결과가나올수있는것이며, 이는요골동맥에서추출할수있는호흡성분에대한추출이가능하였 영구자석과반도체홀센서가구비된집게형맥진기로수신되는임상적인맥진데이터로부터고속푸리에변환 (FFT) 을이용하여호흡수를추출하여그특성을조사하였다. 호흡에따른심장의운동과같은속도로획득한맥파의형태가항상변화하는요인에대한오차까지고려하였다. 인위적인템포에대한 FFT 스펙트럼에서각각의 Hz, 0.16 Hz, 0.25 Hz, 0.33 Hz, 0.41 Hz에서피크값은호흡수와일치하였다. 100 s, 200 s, 그리고 300 s 동안얻은맥진파형데이터에서호흡성분추출알고리즘을적용한결과, 얻어지는시간이길어질수록 FFT 호흡주파수에알맞은피크가뾰족해지는경향을볼수있었다. 본연구를통해서집게형맥진기가고정적인호흡을통해서생성된물리적인영향을추출해낼수있는점에대한유효한데이터를확보해낼수있는기기임을확인하였다. 감사의글 이논문은보건복지부 2012년한의약선도기술과제의 3차년도한방의료기기개발과제 (B100030) 및상지대학교의 2011 년교내연구비지원과 2012년한방의료공학과특성화학과지원사업에의해이루어진연구결과입니다. 참고문헌 [1] M. F. P. O Rourke, R. P. Kelly, and A. P. Avolio, The Arterial Pulse, 1st Ed., Lea & Febiger, Philadelphia (1992). [2] P. A. Shaltis, A. T. Reisner, and H. H. Asada, IEEE Trans. Biomed. Eng. 55, 1775 (2008). [3] S. S. Lee, D. H. Nam, Y. S. Hong, W. B. Lee, I. H. Son, K. H. Kim, and J. G. Choi, Sensors 11, 1784 (2011). [4] I. Y. Huh, Y. K. Kim, and G. S. Hwang, Korean J. Anesthesiol. 49, 447 (2005). [5] J. A. Hirsch and B. Bishop, J. Appl. Physiol. 50, 552 (1981). [6] I.-H. Son and S.-S. Lee, J. Kor. Mag. Soc. 21, 104 (2011). [7] M. C. Ahn, J. G. Choi, I. H. Son, S. S. Lee, and K. H. Kim, J. Kor. Mag. Soc. 20, 106 (2010). [8] D. H. Jang, D. B. Kim, S. G. Choi, and S. S. Lee, J. Kor. Mag.

5 182 한국자기학회지제 22 권 5 호, 2012 년 10 월 Soc. 22, 130 (2012). [9] J. C. Lee, N. S. Kang, H. J. Lee, J. Y. Kim, and J. U. Kim, Kor. J. Ori. Med. Physiol. Pathol. 24, 1077 (2010). [10] G. G. Berntson, J. T. Cacioppo, and K. S. Quigley, Psychophysiology 30, 183 (1993). [11] S. S. Lee, I. H. Son, J. G. Choi, D. H. Nam, Y. S. Hong, and W. B. Lee, J. Kor. Phys. Soc. 58, 349 (2011). [12] S. S. Lee, M. C. Ahn, and S. H. Ahn, J. Magnetics 14, 132 (2009). [13] J. Y. Yoo, S. G. Choi, D. B. Kim, and S. S. Lee, J. Kor. Mag. Soc. 22, 136 (2012). [14] Q. Yu, J. Zhou, and Y. C. Fung, Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 265, 52 (1993). Extraction of Respiratory Rate by using FFT for Radial Artery Pulse Waves Acquisited by Clip-type Pulsimeter with a Hall Sensor Hyun-Sung Cho and Sang-Suk Lee * Dept. of Oriental Biomedical Engineering, Sangji University, Woosan-dong, Wonju-si, Gangwon-do , Korea (Received 8 October 2012, Received in final form 17 October 2012, Accepted 23 October 2012) This research suggested that the extraction of respiratory rate could be made possible by using frequency analysis in the data process for clip-type pulsimeter equipped with permanent magnet and Hall sensor. The pulse analysis included of cardiac motion information depending on variation of pulse waveforms is investigated by means of Fast Fourier Transformation (FFT). The peaks of FFT spectrums measured at 15, 20, 30, 40, and 50 tempos are coincided to each respiratory rate having Hz, 0.16 Hz, 0.25 Hz, 0.33 Hz, and 0.41 Hz, respectively. The FFT spectrum using algorithm for the extraction of respiratory rate showed the best pulse waves measured during 300 s. Based upon these results, the clip-type pulsimeter could extract the effective respiratory rate reflecting physical effects. Keywords : clip-type pulsimeter, permanent magnet, Hall sensor, radial artery, pulse waveform, fast fourier transformation (FFT), respiratory rate, tempo, extraction algorithm

(JBE Vol. 21, No. 1, January 2016) (Regular Paper) 21 1, (JBE Vol. 21, No. 1, January 2016) ISSN 228

(JBE Vol. 21, No. 1, January 2016) (Regular Paper) 21 1, (JBE Vol. 21, No. 1, January 2016) ISSN 228 (JBE Vol. 1, No. 1, January 016) (Regular Paper) 1 1, 016 1 (JBE Vol. 1, No. 1, January 016) http://dx.doi.org/10.5909/jbe.016.1.1.60 ISSN 87-9137 (Online) ISSN 16-7953 (Print) a), a) An Efficient Method