강아지 혈류량으로 맥박수, 산소포화도, 호흡수 구하기 (스압)

최근에 재밌는 프로젝트가 있어서 진행했었습니다.

그것은 [ 강아지 IoT ] !!!!

강아지도 좋아하고, IoT도 좋아하니 저에겐 너무 환상적인 프로젝트 더라구요.

솔직히 사람도 구별하기 힘든 강아지 찾기 사진

 

자세한 프로젝트 내용은 말하기 힘들지만

간단한 부분만 말하자면, 심박수+산소포화도+호흡수+(??) 알아내는게 목표였습니다.

 

그럼 어떠한 방법으로 알아냈는지 같이 한번 알아보시죠!

모두 실제 구현하였지만 데이터를 오픈할 수 없기에 인터넷에 있는 데이터로 대체하여 설명드립니다.

 

 

 

 

1. PPG (Photo PlethysmoGraph, 맥파)

사진을 이용한 혈류량 측정방법이라고 하는데,

쉽게 말하자면, 피가 흐르는 곳을 사진을 찍어서(빛을 보내고) 반사된 빛의 양을 측정하여 비교하는 방법입니다.

애플 - 스마트워치 뒷면 PPG 센서

삼성전자 - 갤럭시워치 뒷면 PPG 센서

 

요즘에는 스마트워치 뒷면에서 초록색, 빨간색 LED가 나온걸 보신적이 있을꺼에요.

이 LED를 이용해서 심박수를 측정하는데, 이 방법이 PPG를 이용한 혈류량 측정 방법입니다.

 

저렇게 LED를 이용해서 빛을 내보내고, 빛을 읽는 센서를 통해서 빛이 피부로부터 반사된 값을 읽어서 혈류량을 알아냅니다.

 

 

 

 

LED를 이용한 측정이 가능한 이유

피부에 LED만 비췄을 뿐인데 어떻게 혈류량을 알 수 있는 걸까요? 

우리 피부는 생각보다 빛이 투과가 잘되고, 적혈구로 인해서 빛의 반사되는 양이 달라지기 때문입니다.

피의 양을 정확히 알 수는 없지만, 심장에 의해서 파장이 만들어져서 혈류량을 상대적으로 측정할 수 있게 됩니다.

 

 

 

 

적혈구에 대한 이해

먼저 적혈구에 대한 이해부터 집고 가봅시다.  

헬스코리아뉴스 - 혈관 안에 있는 적혈구 모습

혈액은 혈구와 혈장으로 나뉘고, 혈구에는 적혈구, 백혈구 혈소판 등이 있습니다.

그 중 적혈구는 혈액 전체 부피의 45%를 차지합니다. 

hyouncho2 - 혈액 원심분리 모습

 

적혈구는 철 이온을 함유한 헤모글로빈(단백질) 때문에 붉은 색을 띄게 됩니다.

 

이 헤모글로빈은 산소나 이산화탄소를 운반하게 되는데,

산소랑 결합될때는 밝은 붉은색을 띄고, 이산화탄소랑 결합될때는 어두운 붉은색을 띄게 됩니다.

POWER blog yimin3181 - 동맥혈(왼), 정맥혈(오)

폐를 거쳐서 산소를 가진 피는 심장을 거쳐서 각 세포로 가는데 이를 동맥혈.

세포로부터 이산화탄소를 가져서 다시 심장을 거쳐 폐로 가는 피를 정맥혈 이라고 합니다.

 

이러한 적혈구의 특징은 강아지도 동일 합니다.

 

 

 

 

혈류량

wikipedia.org - 혈류량

심장이 이완하면서 혈류를 모으고, 수축하면서 혈류를 펌프질 하게 됩니다. 

이러한 현상으로 인해 단위 면적당 혈류량이 일시적으로 늘었다가 줄게 됩니다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PPG 구조

PPG는 적혈구 특성을 이용해서 2가지 형태로 구현되어 있습니다.

1) 출력부와 입력부가 서로 마주보고 있는 통과형

2) 출력부와 입력부가 서로 같은 곳을 바라보는 반사형으로 나눠집니다.

www.ee.columbia.edu - PPG센서 구조

  

 

 

 

PPG 신호

LED는 빨간색으로 고정될 필요는 없고, 다양한 색상으로 측정하는 방식도 존재합니다.

PPG는 주로 가시광선과 적외선(IR)을 이용합니다.

산소를 포함하는 헤모글로빈이 많을 수록, 초록색광이 상대적으로 많이 반사하고, 적외선은 상대적으로 많이 흡수 됩니다. 

 

 

www.researchgate.net - IR, RED 반사값

 

혈류량에 의해서 반사되는 정도가 달라지며, 

위 그래프처럼 시간에 따라 반사량이 늘었다가 줄었다가 하게 됩니다. 

 

 

 

 

우리가 흔히 접하는 병원에 있는 심박수 그래프 처럼 볼 수 있습니다.

 

 

 

 

nature.com

여기서 구해진 LED 값과 IR값을 여러가지 기법을 통해 의미 있는 PPG 값으로 변환합니다.

1) Pixel Averaging

2) AC/DC Normalization

3) Ensemble Averaging

4) Harmonics Truncation & Feature Extraction

 

 

 

www.researchgate.net - 심박수

PPG 데이터를 뽑고, Peak 디텍션을 이용하면 의미 있는 데이터를 찾을 수 있습니다. 

수축기(systolic) 시점과 이완기(diastolic) 시점이 발견되고, 이완을 하면서 판막에 의해서 2번째 웨이브가 생기는것을 볼 수 있습니다.

 

 

 

 

측정방법

심박수 (BPM)

이러한 웨이브는 심박수 1회를 의미하고, 보통 심박수는 분당 횟수이기 때문에 1분안에 발생한 wave 개수를 가지고 계산합니다.

 

산소포화도

산소를 포함하는 헤모글로빈을 가진 적혈구가 많으면 초록광이 많이 반사되고, IR광은 많이 흡수됩니다. 

진폭 값의 차이를 비교하여 산소포화도를 측정 할 수 있습니다. 

 

호흡수 

날숨때 심장이 느리게 뛰게 되고, 들숨때 심장이 빠르게 뛰게 되는데. 이러한 현상을 호흡성 부정맥 (Respiratory Sinus Arrhythmia, RSA) 으로 알려져 있습니다.

심장박동은 자율신경에 의해 반응하는데, 이런 호흡성 부정맥의 이유는 날숨과 부교감 신경에 영향을 받는 다는 이야기 입니다. 

 

mindwaretech.com - ECG와 호흡수 관계

이러한 그래프를 보면 심박수의 간격이 짧아 지면 들숨이고, 간격이 넓어지면 날숨인것을 알 수 있습니다. 

이러한 반복 특성이 보인다면 주파수로 해석되기 때문에 PPG신호를 FFT하게 되면 주파수 특성으로 나오게 됩니다. 

 

물론 매우 정적인 상황일때는 측정이 잘 되지만, 다양한 변수가 있을때는 많은 상황을 예측하고 필터링 해야합니다. 

 

 

 

 

 

 

PPG 측정시 주의점

PPG는 아무래도 피부에 접촉해서 측정하는 방식이기 때문에, 

'단순히 접촉만 하면 되는거 아니야?' 라는 착각을 할 수 있습니다.

쉽게 볼게 아닌 이유는 

1. 접촉 면적에 따라 측정값이 달라짐.

2. 접촉 세기에 따라 피부가 눌림정도에 따라, 빛 투과율이 달라져서 측정값이 달라집니다.

3. 신체상황에 따라 측정값이 달라짐. 

4. 모든 피부에 되는게 아님. 혈류량이 어느정도 있고 맥박이 잡히는 곳이어야 된다.

 

 

 

 

 

맥박위치

PPG를 사용하려면 심박수가 측정이 되는 동맥이 잘 노출된 위치가 중요하다. 

피의 흐름 변화가 없다면 PPG는 무쓸모 이기 때문..

bos2049 - 사람 맥박 부위

사람의 경우, 맥박을 쉽게 젤 수 있는 부위는

흔히 알려진 경동맥박, 요골맥박 말고도 다른 부위(측두맥박, 대퇴맥박, 슬와맥박, 후경골맥박, 족배맥박, 상완맥박)가 있다.

 

 

강아지의 경우는 생략하겠다.