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WO2020256319A1 - 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 및 그 구동 방법 - Google Patents

이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 및 그 구동 방법 Download PDF

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Publication number
WO2020256319A1
WO2020256319A1 PCT/KR2020/007295 KR2020007295W WO2020256319A1 WO 2020256319 A1 WO2020256319 A1 WO 2020256319A1 KR 2020007295 W KR2020007295 W KR 2020007295W WO 2020256319 A1 WO2020256319 A1 WO 2020256319A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
oxygen saturation
image
measurement system
optical signal
user
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/007295
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이종하
Original Assignee
주식회사 라이즈
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 라이즈 filed Critical 주식회사 라이즈
Publication of WO2020256319A1 publication Critical patent/WO2020256319A1/ko

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    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • A61B5/14551—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases
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    • A61B5/7275—Determining trends in physiological measurement data; Predicting development of a medical condition based on physiological measurements, e.g. determining a risk factor
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V40/00—Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
    • G06V40/10—Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
    • G06V40/16—Human faces, e.g. facial parts, sketches or expressions

Definitions

  • the present invention relates to a non-contact oxygen saturation measurement system and a driving method thereof, and more particularly, to a non-contact oxygen saturation measurement system using an image and a driving method thereof.
  • FIG. 1 is a diagram showing a conventional non-invasive oxygen saturation measuring apparatus. As shown in Fig. 1, in order to measure oxygen saturation, a pulse oximeter is worn on the tip of a finger to read oxygen in the blood.
  • the pulse oximeter uses the property that oxygen hemoglobin and reduced hemoglobin that does not contain oxygen absorb light of different wavelengths, and oxygen hemoglobin and reduced hemoglobin are in the red region (650-750 nm). Since the absorption characteristics are changed in the and far-infrared region (850 to 1000 nm), a red light emitting device (Red LED) and an infrared light emitting device (Infrared LED) are used. Two wavelength LEDs are irradiated to the skin with a parallax, and then the optical signal reflected back from the LED signals of each wavelength is measured, and oxygen hemoglobin and reduced hemoglobin are calculated, and oxygen saturation is calculated from this.
  • Red LED red light emitting device
  • Infrared LED infrared light emitting device
  • the process of calculating oxygen saturation using a conventional pulse oximeter is: (1) irradiation with RED LED, (2) reading with a photodiode, (3) turning off RED LED, and (4) irradiating with IR LED , (5) measurement with a photodiode (read) and (6) measurement with a photodiode (read) in the order of the body contact type, so the measurement method was limited. Therefore, there is a need for a non-invasive method for measuring oxygen saturation that compensates for the shortcomings of such a method for measuring oxygen saturation.
  • Korean Patent Registration No. 10-1142126 name of the invention: oxygen saturation sensor with improved signal quality of the oxygen saturation measurement device, announcement date: May 09, 2012, etc. It has been disclosed.
  • the present invention has been proposed to solve the above problems of the previously proposed methods, and since the conventional body-wearable device mainly used for measuring oxygen saturation is not used, the subject of oxygen saturation measurement must wear the device.
  • the oxygen saturation level can be measured by simply standing in front of the camera for a while, and the oxygen saturation level can be measured very easily and conveniently in an unrestrained state.
  • An object thereof is to provide a non-contact oxygen saturation measurement system using an image and a driving method thereof, which can reduce the hassle and can simply and continuously measure the oxygen saturation.
  • the present invention uses a light emitting device arranged so that a plurality of LEDs having a wavelength of 765 nm and a plurality of LEDs having a wavelength of 880 nm are alternately positioned, and irradiating light of a constant intensity to a subject for measuring oxygen saturation It is possible to reduce the error that may occur when measuring the oxygen saturation due to the change in the intensity of and detect the user's face position in the image by using the Eigen face (face common shape information) formed using PCA (Principal Component Analysis). Another object of the present invention is to provide a non-contact oxygen saturation measurement system using an image and a driving method thereof that can measure oxygen saturation more accurately and quickly.
  • a light-emitting unit that alternately irradiates two lights having different wavelengths on a skin area of a user that requires oxygen saturation measurement
  • a camera unit for capturing an image including the user's skin area
  • It is characterized in that it comprises a central processing unit for calculating the oxygen saturation of the user in real time by detecting the optical signals of light of different wavelengths irradiated by the light emitting unit from the image photographed by the camera unit.
  • the light emitting unit Preferably, the light emitting unit, the light emitting unit, and
  • the camera unit Preferably, the camera unit, the camera unit, and
  • a processing unit that filters noise from the optical signal output from the light-emitting unit and amplifies it to a preset gain value for processing
  • An image may be photographed according to pulses alternately irradiated by light having a wavelength of 765 nm and light having a wavelength of 880 nm processed by the processing unit.
  • the central processing unit Preferably, the central processing unit, the central processing unit, and
  • An image separation unit for separating an image photographed by the camera unit into an even-numbered image and an odd-numbered image according to the pulses alternately irradiated by the light emitting unit;
  • a target region selection unit for selecting a target region of the user's skin to detect an optical signal from the even-numbered and odd-numbered images separated by the image separation unit;
  • An optical signal detector configured to detect an optical signal in the target region selected by the target region selector
  • the optical signal detection unit may include an oxygen saturation calculation unit that digitizes and derives the user’s oxygen saturation from the detection signal.
  • the target area selection unit More preferably, the target area selection unit,
  • a face position detector configured to detect a user's face position in the image photographed by the camera unit
  • It may be configured to include a target region determining unit for selecting the target region to detect the optical signal within the user's face position detected by the face position detection unit.
  • the face position detection unit Even more preferably, the face position detection unit,
  • optical signal detection unit More preferably, the optical signal detection unit,
  • Each even-numbered or odd-numbered image captured by the camera unit may detect each optical signal data value separated for each color channel.
  • optical signal detection unit Even more preferably, the optical signal detection unit,
  • the optical signal data values in the green (G) channel which is the wavelength having the highest light absorption rate of hemoglobin and hemoglobin oxide, can be detected.
  • the processing unit More preferably, the processing unit,
  • Noise may be filtered from the optical signal using a Butterworth bandpass filter of 0.5 to 3 Hz.
  • It may be configured to further include a display unit for displaying the user's oxygen saturation degree calculated by the central processing unit so that the user can know.
  • step (3) a step of calculating the user's oxygen saturation in real time by detecting optical signals of lights of different wavelengths irradiated by the light emitting unit from the image photographed in step (2).
  • the light emitting part in step (1) is the light emitting part in step (1).
  • step (2) the ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • An image may be photographed according to a pulse alternately irradiated by light having a wavelength of 765 nm and light having a wavelength of 880 nm in the light emitting unit.
  • step (3) (3-1) separating the image captured in step (2) into even-numbered images and odd-numbered images according to the pulses alternately irradiated in step (1);
  • step (3-1) selecting a target region of the user's skin to detect an optical signal from the even-numbered and odd-numbered images separated in step (3-1);
  • step (3-4) filtering noise from the optical signal detected in step (3-3), amplifying it to a preset gain value, and processing it;
  • step (3-5) It may be implemented including the step of deriving and quantifying the user's oxygen saturation from the optical signal processed in step (3-4).
  • step (3-2) More preferably, the step (3-2),
  • step (3-2-2) It may be implemented including the step of selecting the target region to detect the optical signal within the position of the user's face detected in step (3-2-1).
  • Each of the even-numbered or odd-numbered images captured in step (2) may detect each optical signal data value separated for each color channel.
  • the optical signal data values in the green (G) channel which is the wavelength having the highest light absorption rate of hemoglobin and hemoglobin oxide, can be detected.
  • step (3-4) More preferably, in the step (3-4),
  • Noise may be filtered from the optical signal using a Butterworth bandpass filter of 0.5 to 3 Hz.
  • step (3) The step of displaying the user's oxygen saturation calculated in step (3) so that the user can know it may be implemented.
  • the non-contact oxygen saturation measurement system and its driving method using an image proposed in the present invention since a body-wearable device mainly used for measuring oxygen saturation in the prior art is not used, the subject of oxygen saturation measurement must wear the device.
  • the oxygen saturation level can be measured by simply standing in front of the camera for a while, and the oxygen saturation level can be measured very easily and conveniently in an unrestrained state. The hassle can be reduced, and oxygen saturation can be measured simply and continuously.
  • a light emitting device arranged so that a plurality of LEDs with a wavelength of 765 nm and a plurality of LEDs with a wavelength of 880 nm are alternately positioned is used.
  • PCA Principal Component Analysis
  • FIG. 1 is a view showing a conventional non-invasive oxygen saturation measuring apparatus.
  • FIG. 2 is a view showing the principle of a conventional non-invasive oxygen saturation measuring apparatus.
  • FIG. 3 is a diagram showing an oxygen saturation curve and a factor that affects the oxygen saturation degree.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of a non-contact oxygen saturation measurement system using an image according to an embodiment of the present invention as a functional block.
  • FIG. 5 is a view showing the configuration of a light emitting unit and a camera unit of a non-contact oxygen saturation measurement system using an image according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a central processing unit of a non-contact oxygen saturation measurement system using an image according to an embodiment of the present invention as a functional block.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a target area selection unit in a non-contact oxygen saturation measurement system using an image according to an embodiment of the present invention as a functional block.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a process of forming an Eigen face in a face position detection unit of a non-contact oxygen saturation measurement system using an image according to an embodiment of the present invention.
  • PCA principal component analysis
  • FIG. 10 is a view showing a method of detecting a face position in a non-contact oxygen saturation measurement system face position detector using an image according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing a flow of a driving method of a non-contact oxygen saturation measurement system using an image according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing a flow of a method of calculating an oxygen saturation degree of a non-contact oxygen saturation measurement system using an image according to an embodiment of the present invention.
  • step S310 Separating the image taken in step S200 into even-numbered images and odd-numbered images according to the pulses alternately irradiated in step S100
  • step S350 Step of deriving and quantifying the user's oxygen saturation from the optical signal processed in step S340
  • Oxygen saturation refers to a measure of the degree of binding of oxygen hemoglobin, which is the volume ratio of oxygen hemoglobin to effective hemoglobin, and broadly refers to the percentage of the oxygen content in the sample blood and the maximum oxygen content in the blood. That is, if the oxygen saturation is 100%, it means that hemoglobin is completely saturated with oxygen, and if the oxygen saturation is 50%, it means that only 50% of the hemoglobin is saturated with oxygen. In the case of a normal person, the degree of oxygen-saturation of hemoglobin in the blood is about 97 to 100%, if it is less than 95%, it means hypoxemia, and if it is less than 75%, it means a life-threatening situation.
  • oxygen saturation is one of the vital indexes that are required to be measured in order to check human health.
  • 3 is a diagram showing an oxygen saturation curve and a factor that affects the oxygen saturation degree.
  • the oxygen dissociation curve is a graph showing the relationship between the oxygen partial pressure and the ratio of oxygen hemoglobin in hemoglobin, and is data for understanding how blood transmits and releases oxygen to tissues. Since hemoglobin is composed of proteins, like other proteins, it is affected by temperature, pH, properties and concentration of coexisting ions, and carbon dioxide concentration that affect the structure of proteins.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of a non-contact oxygen saturation measurement system 10 using an image according to an embodiment of the present invention as a functional block.
  • the non-contact oxygen saturation measurement system 10 using an image according to an embodiment of the present invention alternately transmits two lights having different wavelengths to the skin area of the user requiring oxygen saturation measurement.
  • the light-emitting unit 100 that alternately irradiates, the camera unit 200 for capturing an image including the user's skin area, and the optical signal of light of different wavelengths irradiated by the light-emitting unit from the image captured by the camera unit 200
  • It may be configured to include a central processing unit 300 that detects and calculates the user's oxygen saturation in real time, and may further include a display unit 400.
  • the light-emitting unit 100 is a device capable of irradiating two lights having different wavelengths, and by using the light-emitting unit 100, light of different wavelengths is alternately transmitted to the skin area of the user requiring oxygen saturation measurement. You can investigate alternately. More specifically, oxygen hemoglobin has a property of absorbing light with a wavelength of about 880 nm, and reduced hemoglobin that does not contain oxygen has a property of absorbing light with a wavelength of about 765 nm. 100 can be arranged so that a plurality of LEDs having a wavelength of 765 nm and a plurality of LEDs having a wavelength of 880 nm are alternately positioned.
  • the light emitting unit 100 of the non-contact oxygen saturation measurement system 10 using an image according to an embodiment of the present invention includes a plurality of LEDs having a wavelength of 765 nm and a plurality of LEDs having a wavelength of 880 nm. LEDs can be arranged alternately in a 6 ⁇ 6 array, and by using a device arranged so that two types of LEDs are alternately placed in a 6 ⁇ 6 array, the light of each wavelength irradiated to the user's skin area It can be adjusted so that the irradiation intensity of
  • the camera unit 200 is a device that photographs an image including a user's skin area. More specifically, the camera unit 200 can take an image according to the pulses alternately irradiated by light having a wavelength of 765 nm and light having a wavelength of 880 nm from the light emitting unit 100, so that the light emitting unit is It is possible to match the operation of 100 and the camera unit 200.
  • FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the central processing unit 300 of the non-contact oxygen saturation measurement system 10 using an image according to an embodiment of the present invention as a functional block.
  • the central processing unit 300 of the non-contact oxygen saturation measurement system 10 using an image according to an embodiment of the present invention the camera unit according to the pulses alternately irradiated from the light emitting unit 100
  • the image separation unit 310 for separating the image taken at 200 into an even-numbered image and an odd-numbered image, and the user's skin to detect an optical signal from the even-numbered and odd-numbered images separated by the image separation unit 310
  • the image separating unit 310 may separate an image photographed by the camera unit 200 into an even-numbered image and an odd-numbered image in accordance with the pulses alternately irradiated by the light emitting unit 100. That is, the images photographed by the camera unit 200 may be separated into an even-numbered image taken when light having a wavelength of 765 nm is irradiated and an odd-numbered image taken when light having a wavelength of 880 nm is irradiated.
  • the target region selection unit 320 includes a face position detecting unit 321 for detecting a user's face position in an image captured by the camera unit 200, and a face position detecting unit 321 It may be configured to include a target region determining unit 322 for selecting a target region to detect the optical signal within the position of the user's face detected in.
  • the face position detection unit 321 can detect the position of the user's face in the image captured by the camera unit 200. By forming an Eigen face (common face shape information) using a principal component analysis (PCA) , The part that has a shape similar to the formed Eigen face can be detected as a human face.
  • PCA principal component analysis
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a process of forming an Eigen face in the face position detection unit 321 of the non-contact oxygen saturation measurement system 10 using an image according to an embodiment of the present invention.
  • the face position detection unit 321 of the non-contact oxygen saturation measurement system 10 using an image according to an embodiment of the present invention transmits multidimensional data having a correlation between variables in a low-dimensional manner.
  • the Eigen face can be formed using PCA, a method of summarizing data. More specifically, Eigen face refers to a set of facial components necessary for recognizing a human face with a computer.
  • an Eigen face is created in advance, and a coefficient of a certain value or more among the images input through the camera unit 200 is measured using the Eigen face coefficient.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a principle of a principal component analysis (PCA) in the face position detection unit 321 of the non-contact oxygen saturation measurement system 10 using an image according to an embodiment of the present invention.
  • PCA is one of methods for efficiently summarizing multidimensional data having correlations between variables into low-dimensional data.
  • the biological system has a control relationship between components, and they show a strong correlation. Knowing the value of one component can estimate the values of other components that have a strong correlation with it. It is the concept of dimension reduction in PCA that you can explore the components of.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a method of detecting a face position in a face position detection unit 321 of a non-contact oxygen saturation measurement system 10 using an image according to an embodiment of the present invention.
  • the face position detection unit 321 of the non-contact oxygen saturation measurement system 10 using an image according to an embodiment of the present invention uses an Eigen face (face common shape information) After forming, the part of the input image that has a similar shape is designated as a human face and traced.
  • PCA is a second-order statistical technique that uses statistical properties up to the mean and variance, and finds a set of orthogonally normalized series of axes pointing in each direction of the greatest covariance for the input data.
  • the target region determiner 322 may select a target region to detect the optical signal within the user's face position detected by the face position detector 321 using the PCA principle. More specifically, the target region selected by the target region determiner 322 may be a portion within the user's face region that receives light of different wavelengths irradiated from the light emitting unit 100.
  • the optical signal detector 330 may detect each optical signal data value separated for each color channel for every even-numbered or odd-numbered image captured by the camera unit 200. That is, the optical signal detection unit 330 of the non-contact oxygen saturation measurement system 10 using an image according to an embodiment of the present invention calculates an average value of a 40 ⁇ 40 pixel area in each of the even-numbered and odd-numbered images. In the case of the RGB colorimetric system, an average value of an optical signal in a 40 ⁇ 40 pixel area can be obtained for each red (R) component channel, green (G) component channel, and blue (B) component channel in the captured image.
  • the optical signal detector 330 may detect optical signal data of a green (G) component channel. That is, by using the green (G) component channel, which is the wavelength having the highest light absorption rate of hemoglobin and oxidized hemoglobin, which are coloring elements, it is easier to measure the optical signal in the target area of the user's face.
  • G green
  • the processing unit 340 may filter noise from the optical signal detected by the optical signal detection unit 330 and amplify it to a preset gain value for processing. More specifically, a change in the face position, a change in the direction of the face, or a change in a facial expression may affect the measured optical signal due to changes in the environment, such as the movement of the face or the light shining on the target area of the user's face. Noise can interfere with oxygen saturation measurements. Therefore, it is preferable to remove or reduce the noise component, and the processing unit 340 may determine the frequency range of the output optical signal by using a filter and extract an accurate optical signal from which the noise component is removed. . More preferably, noise may be filtered from the optical signal using a Butterworth bandpass filter of 0.5 to 3 Hz. In addition, by using a variable resistor, the amplification factor can be adjusted according to the optical signal of various waveforms obtained for each person. In the case of a person with a small waveform, the optical signal can be amplified with an appropriate gain value.
  • the oxygen saturation degree calculating unit 350 may derive the user's oxygen saturation degree from the optical signal processed by the processing unit 340 and convert it into a numerical value. More specifically, R V is the minimum point of the optical signal detected in the even-numbered image taken when light of 765 nm wavelength is irradiated, and R P is the minimum point of the even-numbered image taken when light of 765 nm wavelength is irradiated. It is called the maximum point of the optical signal, and IR V is the minimum point of the optical signal detected in the odd-numbered image taken when light of 880 nm wavelength is irradiated, and the IR P is the odd-numbered image taken when light of 880 nm wavelength is irradiated. Assuming the maximum point of the optical signal detected at, R OS can be obtained through Equation 1 below.
  • the oxygen saturation calculation unit 350 the OS R value calculated from the above equation can be calculated in real time, the user's oxygen saturation by matching with the actual oxygen saturation by using a function.
  • the display unit 400 may display the user's oxygen saturation degree calculated by the central processing unit 300 so that the user can know. That is, the display unit 400 may be any device that shows the user's own oxygen saturation level.
  • the display unit 400 may be a liquid crystal display of a television, a liquid crystal display of a computer, or a liquid crystal display of a mobile phone. .
  • FIG. 11 is a view showing a flow of a driving method of the non-contact oxygen saturation measurement system 10 using an image according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is a non-contact oxygen saturation measurement using an image according to an embodiment of the present invention It is a diagram showing the flow of a method for calculating the oxygen saturation of the system 10. 11 to 12, the driving method of the non-contact oxygen saturation measurement system 10 using an image according to an embodiment of the present invention includes (1) two light emitting units having different wavelengths.
  • step (3) From the image captured by the light emitting unit to detect optical signals of light of different wavelengths irradiated by the light emitting unit and calculate the user's oxygen saturation in real time (S300), and (4) in step (3)
  • the operation of displaying the calculated oxygen saturation degree of the user so that the user can know (S400) may be further included.
  • the non-contact oxygen saturation measurement system 10 and its driving method using an image according to an embodiment of the present invention since a body-worn device mainly used for measuring oxygen saturation in the related art is not used, Oxygen saturation can be measured very easily and conveniently in an unconstrained state, and oxygen saturation can be measured simply by standing in front of the camera for a while. Therefore, it is possible to reduce the hassle in using the oxygen saturation measurement system, and it is possible to measure the oxygen saturation level simply and continuously.
  • the subject of the oxygen saturation measurement is irradiated with light of a certain intensity, thereby changing the intensity of the irradiated light.
  • the Eigen face face common shape information
  • PCA Principal Component Analysis

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Abstract

본 발명에서 제안하고 있는 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 및 그 구동 방법에 따르면, 종래의 산소포화도 측정에 주로 이용되는 신체 착용형 장치를 사용하지 않기 때문에, 산소포화도 측정 대상자가 장치를 꼭 착용해야만 하는 불편함을 줄이고, 무구속 상태에서 매우 쉽고 간편하게 산소포화도를 측정할 수 있으며, 산소포화도 측정 대상자가 카메라 앞에 잠시 서 있는 것만으로도 산소포화도를 측정할 수 있어 산소포화도 측정 시스템을 사용하는 데 있어서 번거로움을 줄일 수 있고, 간단하면서도 연속적으로 산소포화도 측정이 가능하다.

Description

이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 및 그 구동 방법
본 발명은 비접촉 산소포화도 측정 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
사회가 개인화 및 고령화될수록 스스로 건강에 관심을 가지고서 정기적으로 건강검진을 하는 사람들이 많아지고 있는 추세이다. 특히, 거동이 불편하거나 지병이 있는 노인 또는 장애인의 경우, 수시로 자신의 몸 상태 즉, 생체 상태를 파악하여야 하는데, 생체 상태를 파악하기 위해 필수적으로 요구되는 측정 대상 중 하나가 바로 산소포화도이다.
혈액 속의 산소포화도를 측정하는 방법은 크게 두 가지 방법이 있는데, 침습적(invasive) 방법인 혈액 가스 분석 방법과, 맥박산소계측기(pulse oximeter)를 이용한 비침습적인 방법이 있다. 일반적으로 비침습적 방법이 주로 이용되는데, 맥박산소계측기는 침습적 방법에 비해 간편하고 산소포화도를 연속적으로 측정할 수 있는 장점이 있다. 도 1은 종래 이용되고 있는 비침습적인 산소포화도 측정 장치를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 산소포화도를 측정하기 위하여 손가락 끝에 맥박산소계측기를 착용하여, 피 속의 산소를 읽어낸다.
도 2는 종래 이용되고 있는 비침습적인 산소포화도 측정 장치의 원리를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 맥박산소계측기는 산소 헤모글로빈과 산소를 포함하지 않은 환원 헤모글로빈이 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 성질을 이용하는데, 산소 헤모글로빈과 환원 헤모글로빈이 적색 영역(650~750㎚)과 원적외선 영역(850~1000㎚)에서 흡수특성이 서로 바뀌기 때문에 적색 발광소자(Red LED)와 적외 발광소자(Infrared LED)를 사용한다. 두 개의 파장의 LED를 시차를 두고 각각 피부에 조사한 후, 각 파장의 LED 신호가 다시 반사되어 나오는 광신호를 측정하여, 산소 헤모글로빈과 환원 헤모글로빈을 산출한 후, 이로부터 산소포화도를 계산하는 것이다.
다만, 종래의 맥박산소계측기를 이용하여 산소포화도를 산출하는 과정은, (1) RED LED 조사, (2) 광 다이오드로 측정(read), (3) RED LED 오프 시킴, (4) IR LED 조사, (5) 광 다이오드로 측정(read) 및 (6) 광 다이오드로 측정(read) 순으로 진행되는바, 신체접촉식이어서 그 측정 방법이 제한적이었다. 따라서 이와 같은 산소포화도 측정 방법의 단점을 보완한 비침습적인 산소포화도 측정 방법의 필요성이 대두된다.
한편, 본 발명과 관련된 선행기술로서, 한국등록특허 제10-1142126호(발명의 명칭: 산소포화도 측정 장치의 신호품질을 향상시킨 산소포화도 측정센서, 공고일자: 2012년 05월 09일) 등이 개시된 바 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 종래의 산소포화도 측정에 주로 이용되는 신체 착용형 장치를 사용하지 않기 때문에, 산소포화도 측정 대상자가 장치를 꼭 착용해야만 하는 불편함을 줄이고, 무구속 상태에서 매우 쉽고 간편하게 산소포화도를 측정할 수 있으며, 산소포화도 측정 대상자가 카메라 앞에 잠시 서 있는 것만으로도 산소포화도를 측정할 수 있어 산소포화도 측정 시스템을 사용하는 데 있어서 번거로움을 줄일 수 있고, 간단하면서도 연속적으로 산소포화도 측정이 가능한, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 파장이 765㎚인 복수의 LED와 파장이 880㎚인 복수의 LED가 번갈아 위치하도록 배치된 발광장치를 이용하여 산소포화도 측정 대상자에게 일정한 강도의 빛을 조사함으로써, 조사되는 빛의 강도 변화로 인해 산소포화도 측정 시 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있으며, PCA(Principal Component analysis)를 이용하여 형성된 Eigen face(얼굴 공통의 형태 정보)를 이용해 이미지에서 사용자의 얼굴 위치를 감지하기 때문에, 보다 정확하면서도 신속하게 산소포화도를 측정할 수 있는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템은,
이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템으로서,
서로 다른 파장을 가지는 두 개의 광들을 산소포화도 측정이 요구되는 사용자의 피부 영역에 교대로 번갈아 조사하는 발광부;
상기 사용자의 피부 영역을 포함하는 이미지를 촬영하는 카메라부; 및
상기 카메라부에서 촬영된 이미지로부터 상기 발광부에서 조사한 서로 다른 파장의 광들의 광신호를 검출하여 상기 사용자의 산소포화도를 실시간으로 연산하는 중앙처리부를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 발광부는,
파장이 765㎚인 복수의 LED와 파장이 880㎚인 복수의 LED가 번갈아 위치하도록 배치된 장치로서, 파장이 각각 765㎚와 880㎚인 빛이 교대로 발광할 수 있다.
바람직하게는, 상기 카메라부는,
상기 발광부에서 출된 광신호에서 노이즈를 필터링하고, 기설정된 이득 값으로 증폭시켜 가공하는 가공부; 및
상기 가공부에서 가공된 광파장이 765㎚인 빛과 파장이 880㎚인 빛이 교대로 조사하는 펄스에 맞춰 이미지를 촬영할 수 있다.
바람직하게는, 상기 중앙처리부는,
상기 발광부에서 교대로 조사되는 펄스에 맞춰 상기 카메라부에서 촬영된 이미지를 짝수 번째 이미지와 홀수 번째 이미지로 분리하는 이미지 분리부;
상기 이미지 분리부에서 분리된 짝수 번째 및 홀수 번째 이미지에서 광신호를 검출할 상기 사용자 피부의 대상영역을 선택하는 대상영역 선택부;
상기 대상영역 선택부에서 선택된 상기 대상영역에서 광신호를 검출하는 광신호 검출부;
상기 광신호 검출부에서 검신호로부터 사용자의 산소포화도를 도출하여 수치화하는 산소포화도 연산부를 포함하여 구성될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 대상영역 선택부는,
상기 카메라부에서 촬영된 이미지에서 사용자의 얼굴 위치를 감지하는 얼굴 위치 감지부; 및
상기 얼굴 위치 감지부에서 감지된 사용자의 얼굴 위치 내에서 광신호를 검출할 상기 대상영역을 선택하는 대상영역 결정부를 포함하여 구성될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 얼굴 위치 감지부는,
PCA(Principal Component analysis)를 이용하여 Eigen face(얼굴 공통의 형태 정보)를 형성함으로써, 형성된 Eigen face와 유사한 형태를 가지고 있는 부분을 사람의 얼굴이라 감지할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 광신호 검출부는,
상기 카메라부에서 촬영된 짝수 번째 또는 홀수 번째 이미지마다 색상 채널별 분리된 각각의 광신호 데이터값을 검출할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 광신호 검출부는,
헤모글로빈과 산화 헤모글로빈의 빛 흡수율이 가장 높은 파장인 녹색(G) 채널에서의 광신호 데이터값을 검출할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 가공부는,
0.5 내지 3 ㎐의 버터워스 밴드패스 필터를 이용하여 상기 광신호로부터 노이즈를 필터링할 수 있다.
바람직하게는,
상기 중앙처리부에서 연산된 사용자의 산소포화도를 사용자가 알 수 있도록 표시하는 디스플레이부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 구동 방법은,
이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 구동 방법으로서,
(1) 발광부에서 서로 다른 파장을 가지는 두 개의 광들을 산소포화도 측정이 요구되는 사용자의 피부 영역에 교대로 번갈아 조사하는 단계;
(2) 상기 사용자의 피부 영역을 포함하는 이미지를 촬영하는 단계; 및
(3) 상기 단계 (2)에서 촬영된 이미지로부터 상기 발광부에서 조사한 서로 다른 파장의 광들의 광신호를 검출하여 상기 사용자의 산소포화도를 실시간으로 연산하는 단계를 포함하는 것을 그 구현상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 단계 (1)에서 발광부는,
파장이 765㎚인 복수의 LED와 파장이 880㎚인 복수의 LED가 번갈아 위치하도록 배치된 장치로서, 파장이 각각 765㎚와 880㎚인 빛이 교대로 발광할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (2)에서는,
상기 발광부에서 파장이 765㎚인 빛과 파장이 880㎚인 빛이 교대로 조사하는 펄스에 맞춰 이미지를 촬영할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (3)은,
(3-1) 상기 단계(1)에서 교대로 조사되는 펄스에 맞춰 상기 단계 (2)에서 촬영된 이미지를 짝수 번째 이미지와 홀수 번째 이미지로 분리하는 단계;
(3-2) 상기 단계 (3-1)에서 분리된 짝수 번째 및 홀수 번째 이미지에서 광신호를 검출할 상기 사용자 피부의 대상영역을 선택하는 단계;
(3-3) 상기 단계 (3-2)에서 선택된 상기 대상영역에서 광신호를 검출하는 단계;
(3-4) 상기 단계 (3-3)에서 검출된 광신호에서 노이즈를 필터링하고, 기설정된 이득 값으로 증폭시켜 가공하는 단계; 및
(3-5) 상기 단계 (3-4)에서 가공된 광신호로부터 사용자의 산소포화도를 도출하여 수치화하는 단계를 포함하여 구현될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 단계 (3-2)는,
(3-2-1) 상기 단계 (2)에서 촬영된 이미지에서 사용자의 얼굴 위치를 감지하는 단계; 및
(3-2-2) 상기 단계 (3-2-1)에서 감지된 사용자의 얼굴 위치 내에서 광신호를 검출할 상기 대상영역을 선택하는 단계를 포함하여 구현될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 단계 (3-2-1)에서는,
PCA(Principal Component analysis)를 이용하여 Eigen face(얼굴 공통의 형태 정보)를 형성함으로써, 형성된 Eigen face와 유사한 형태를 가지고 있는 부분을 사람의 얼굴이라 감지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (3-3)에서는,
상기 단계 (2)에서 촬영된 짝수 번째 또는 홀수 번째 이미지마다 색상 채널별 분리된 각각의 광신호 데이터값을 검출할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 단계 (3-3)에서는,
헤모글로빈과 산화 헤모글로빈의 빛 흡수율이 가장 높은 파장인 녹색(G) 채널에서의 광신호 데이터값을 검출할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 단계 (3-4)에서는,
0.5 내지 3 ㎐의 버터워스 밴드패스 필터를 이용하여 상기 광신호로부터 노이즈를 필터링할 수 있다.
바람직하게는,
(4) 상기 단계 (3)에서 연산된 사용자의 산소포화도를 사용자가 알 수 있도록 표시하는 단계를 더 포함하여 구현될 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 및 그 구동 방법에 따르면, 종래의 산소포화도 측정에 주로 이용되는 신체 착용형 장치를 사용하지 않기 때문에, 산소포화도 측정 대상자가 장치를 꼭 착용해야만 하는 불편함을 줄이고, 무구속 상태에서 매우 쉽고 간편하게 산소포화도를 측정할 수 있으며, 산소포화도 측정 대상자가 카메라 앞에 잠시 서 있는 것만으로도 산소포화도를 측정할 수 있어 산소포화도 측정 시스템을 사용하는 데 있어서 번거로움을 줄일 수 있고, 간단하면서도 연속적으로 산소포화도 측정이 가능하다.
또한, 본 발명에서 제안하고 있는 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 및 그 구동 방법에 따르면, 파장이 765㎚인 복수의 LED와 파장이 880㎚인 복수의 LED가 번갈아 위치하도록 배치된 발광장치를 이용하여 산소포화도 측정 대상자에게 일정한 강도의 빛을 조사함으로써, 조사되는 빛의 강도 변화로 인해 산소포화도 측정 시 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있으며, PCA(Principal Component analysis)를 이용하여 형성된 Eigen face(얼굴 공통의 형태 정보)를 이용해 이미지에서 사용자의 얼굴 위치를 감지하기 때문에, 보다 정확하면서도 신속하게 산소포화도를 측정할 수 있다.
도 1은 종래 이용되고 있는 비침습적인 산소포화도 측정 장치를 도시한 도면.
도 2는 종래 이용되고 있는 비침습적인 산소포화도 측정 장치의 원리를 도시한 도면.
도 3은 산소포화도 곡선과 산소포화도에 영향을 주는 요인을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템의 발광부와 카메라부의 구성을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 중앙처리부의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 대상영역 선택부의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템의 얼굴 위치 감지부에서의 Eigen face 형성 과정을 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 얼굴 위치 감지부에서의 PCA(Principal Component analysis) 원리를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 얼굴 위치 감지부에서의 얼굴 위치를 감지하는 방법을 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템의 구동 방법 흐름을 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템의 산소포화도를 연산하는 방법 흐름을 도시한 도면.
<부호의 설명>
10: 비접촉 산소포화도 측정 시스템
100: 발광부
200: 카메라부
300: 중앙처리부
310: 이미지 분리부
320: 대상영역 선택부
321: 얼굴 위치 감지부
322: 대상영역 결정부
330: 광신호 검출부
340: 가공부
350: 산소포화도 연산부
400: 디스플레이부
S100: 서로 다른 파장을 가지는 두 개의 광들을 사용자의 피부 영역에 교대로 번갈아 조사하는 단계
S200: 사용자의 피부 영역을 포함하는 이미지를 촬영하는 단계
S300: 촬영된 이미지로부터 발광부에서 조사한 서로 다른 파장의 광들의 광신호를 검출하여 사용자의 산소포화도를 실시간으로 연산하는 단계
S310: 단계 S100에서 교대로 조사되는 펄스에 맞춰 단계 S200에서 촬영된 이미지를 짝수 번째 이미지와 홀수 번째 이미지로 분리하는 단계
S320: 단계 S310에서 분리된 짝수 번째 및 홀수 번째 이미지에서 광신호를 검출할 상기 사용자 피부의 대상영역을 선택하는 단계
S330: 단계 S320에서 선택된 대상영역에서 광신호를 검출하는 단계
S340: 단계 S330에서 검출된 광신호에서 노이즈를 필터링하고, 기설정된 이득 값으로 증폭시켜 가공하는 단계
S350: 단계 S340에서 가공된 광신호로부터 사용자의 산소포화도를 도출하여 수치화하는 단계
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결 되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 간접적으로 연결 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
산소포화도란 산소 헤모글로빈의 결합 정도를 측정한 값을 의미하는데, 산소 헤모글로빈의 유효헤모글로빈에 대한 용적비율로서, 넓은 뜻으로는 시료 혈액에서 산소함량과 혈액 최대산소함량에 대한 백분율을 뜻한다. 즉, 산소포화도가 100%라면 헤모글로빈이 산소로 완전히 포화되었음을 의미하고, 산소포화도가 50%라면 헤모글로빈의 50%만이 산소로 포화되었음을 의미한다. 정상인의 경우, 혈액 속의 헤모글로빈이 산소로 포화된 정도는 약 97~100%이며, 95% 미만이라면 저산소혈증, 75% 이하라면 생명에 위급한 상황을 의미한다. 따라서, 산소포화도는 인간의 건강 상태를 체크하기 위해 필수적으로 측정이 요구되는 생체 지수 중 하나이다. 도 3은 산소포화도 곡선과 산소포화도에 영향을 주는 요인을 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 산소해리곡선은 헤모글로빈 안에 있는 산소헤모글로빈의 비율과 산소분압과의 관계를 나타내는 그래프로써, 혈액이 어떻게 산소를 조직까지 전달하고 방출하는지 이해하기 위한 자료이다. 헤모글로빈은 단백질로 구성되어 있으므로, 다른 단백질과 마찬가지로 단백질의 구조에 영향을 미치는 온도, pH, 공존 이온의 성질과 농도, 이산화탄소 농도 등에 따라 영향을 받는다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)은 서로 다른 파장을 가지는 두 개의 광들을 산소포화도 측정이 요구되는 사용자의 피부 영역에 교대로 번갈아 조사하는 발광부(100), 사용자의 피부 영역을 포함하는 이미지를 촬영하는 카메라부(200), 및 카메라부(200)에서 촬영된 이미지로부터 발광부에서 조사한 서로 다른 파장의 광들의 광신호를 검출하여 사용자의 산소포화도를 실시간으로 연산하는 중앙처리부(300)를 포함하여 구성될 수 있으며, 디스플레이부(400)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
발광부(100)는, 서로 다른 파장을 가지는 두 개의 광들을 조사할 수 있는 장치로써, 발광부(100)를 이용하여 산소포화도 측정이 요구되는 사용자의 피부 영역에 서로 다른 파장의 광을 교대로 번갈아 조사할 수 있다. 보다 구체적으로, 산소 헤모글로빈은 약 880㎚ 파장의 빛을 잘 흡수하는 성질이 있고, 산소를 포함하지 않은 환원 헤모글로빈은 약 765㎚ 파장의 빛을 잘 흡수하는 성질이 있으므로, 이러한 원리를 이용하여 발광부(100)는, 파장이 765㎚인 복수의 LED와 파장이 880㎚인 복수의 LED가 번갈아 위치하도록 배치할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 발광부(100)와 카메라부(200)의 구성을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 발광부(100)는, 파장이 765㎚인 복수의 LED와 파장이 880㎚인 복수의 LED를 6×6의 배열로 번갈아 위치하도록 배치할 수 있고, 두 종류의 LED가 6×6의 배열로 번갈아 위치하도록 배치된 장치를 이용함으로써, 사용자의 피부 영역에 조사되는 각각의 파장의 빛의 조사 강도가 동일하도록 조절할 수 있다.
카메라부(200)는, 사용자의 피부 영역을 포함하는 이미지를 촬영하는 장치이다. 보다 구체적으로, 카메라부(200)는, 발광부(100)에서 파장이 765㎚인 빛과 파장이 880㎚인 빛이 교대로 조사하는 펄스에 맞춰 이미지를 촬영할 수 있으므로, 간단한 동작 타이밍으로 발광부(100)와 카메라부(200)의 작동을 맞출 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 중앙처리부(300)의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 중앙처리부(300)는, 발광부(100)에서 교대로 조사되는 펄스에 맞춰 카메라부(200)에서 촬영된 이미지를 짝수 번째 이미지와 홀수 번째 이미지로 분리하는 이미지 분리부(310), 이미지 분리부(310)에서 분리된 짝수 번째 및 홀수 번째 이미지에서 광신호를 검출할 상기 사용자 피부의 대상영역을 선택하는 대상영역 선택부(320), 대상영역 선택부(320)에서 선택된 대상영역에서 광신호를 검출하는 광신호 검출부(330), 광신호 검출부(330)에서 검출된 광신호에서 노이즈를 필터링하고, 기설정된 이득 값으로 증폭시켜 가공하는 가공부(340), 및 가공부(340)에서 가공된 광신호로부터 사용자의 산소포화도를 도출하여 수치화하는 산소포화도 연산부(350)를 포함하여 구성될 수 있다. 이하 중앙처리부(300)를 구성하는 각각의 장치에 대하여 보다 자세히 설명한다.
이미지 분리부(310)는, 발광부(100)에서 교대로 조사되는 펄스에 맞춰 카메라부(200)에서 촬영된 이미지를 짝수 번째 이미지와 홀수 번째 이미지로 분리할 수 있다. 즉, 카메라부(200)에서 촬영된 이미지들을 765㎚ 파장의 빛이 조사될 때 찍힌 짝수 번째 이미지와 880㎚ 파장의 빛이 조사될 때 찍힌 홀수 번째 이미지로 분리할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 대상영역 선택부(320)의 구성을 기능 블록으로 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 대상영역 선택부(320)는, 카메라부(200)에서 촬영된 이미지에서 사용자의 얼굴 위치를 감지하는 얼굴 위치 감지부(321), 및 얼굴 위치 감지부(321)에서 감지된 사용자의 얼굴 위치 내에서 광신호를 검출할 대상영역을 선택하는 대상영역 결정부(322)를 포함하여 구성될 수 있다.
얼굴 위치 감지부(321)는, 카메라부(200)에서 촬영된 이미지에서 사용자의 얼굴 위치를 감지할 수 있는데, PCA(Principal Component analysis)를 이용하여 Eigen face(얼굴 공통의 형태 정보)를 형성함으로써, 형성된 Eigen face와 유사한 형태를 가지고 있는 부분을 사람의 얼굴이라 감지할 수 있다. 이하, 도면을 이용하여 얼굴 위치 감지부(321)의 원리를 더욱 자세히 설명한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 얼굴 위치 감지부(321)에서의 Eigen face 형성 과정을 도시한 도면이다. 도 8에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 얼굴 위치 감지부(321)는, 변수 간의 상관관계가 있는 다차원의 데이터를 저차원의 데이터로 요약하는 방법인, PCA를 이용하여 Eigen face를 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, Eigen face란 컴퓨터로 사람의 얼굴을 인식하는 데 필요한 얼굴 구성요소의 집합을 의미하는데, 종래의 경우 눈과 눈 사이의 거리, 눈과 코의 거리, 인중의 거리 등 얼굴의 각 컴포넌트 간의 기하학적인 위치 관계를 특징으로 삼아 분석한 것에 비하여, 본 발명의 경우, Eigen Face를 미리 만들어 두고, Eigen Face 계수를 이용하여 카메라부(200)를 통해 입력된 이미지 중 일정 값 이상의 계수가 측정되는 부분을 사람의 얼굴이라 감지함으로써 얼굴 위치를 감지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 얼굴 위치 감지부(321)에서의 PCA(Principal Component analysis, 주성분 분석) 원리를 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, PCA는 변수 간의 상관관계가 있는 다차원의 데이터를 효율적으로 저차원의 데이터로 요약하는 방법 중 하나이다. 생체 시스템은 구성요소 간의 제어 연관성이 있고 이들은 강한 상관관계를 보이는데, 어떤 하나의 구성요소의 값을 알면 이와 강한 상관관계를 가지는 다른 구성요소들의 값은 추정 가능하므로, 다차원 데이터를 탐구하는 데에서 하나의 구성요소를 탐구하면 된다는 것이 PCA에서 차원 축소(dimension reduction)의 개념이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 얼굴 위치 감지부(321)에서의 얼굴 위치를 감지하는 방법을 도시한 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 얼굴 위치 감지부(321)는, PCA를 이용해서 Eigen face(얼굴 공통의 형태 정보)를 형성한 후, input image 중에서 이와 유사한 형태를 하지고 있는 부분을 사람의 얼굴이라고 지정하여 추적하도록 한다. PCA는 평균과 분산까지의 통계적 성질을 이용한 2차 통계적 기법으로써, 입력 자료에 대하여 최대공분산의 각 방향을 가리키는 직교 정규화된 일련의 축들의 집합을 찾는다. 따라서 입력 자료의 가장 중요한 축들을 찾아 효율적으로 자료의 차원을 줄일 수 있는 장점을 가지며, 데이터 압축 방식에 의해 필요 없는 데이터를 제거하고 특징적인 부분만을 추출함으로써, 얼굴 패턴의 저차원적인 구조를 효과적으로 드러낼 수 있다.
주어진 자료를 X라 놓고, n개의 관찰된 표본이 있다면 X를 X={x 1, x 2, x 3, …, x n}과 같이 정의할 수 있다. 이 때 X의 각 표본 x i는 해당 표본을 구성하는 x i={x i(1), x i(2), …, x i(m)} T 와 같이 m개의 데이터로 구성되어 있고, 이때 T는 행렬의 전치를 나타내며 얼굴 이미지의 경우에는 m 값은 해당 얼굴의 픽셀 수가 되며, 1차원 벡터로 나타낼 수 있다.
PCA로 데이터를 표현하는 방법은 다음과 같다. PCA로 데이터가 표현되는 것을 R이라 놓고, 이때 각 행이 원래 데이터의 표본에 매칭된다. 고유벡터가 열로 들어 있는 행렬을 V라고 하였을 때, R = XTV로 R을 구할 수 있다. 고유벡터 V가 대칭적이고, 직교 정규화되어 있으므로 VVT = 1의 성질을 가지며, 역으로 데이터를 변환하는 것은 XT = RVT와 같이 구할 수 있다.
대상영역 결정부(322)는, 얼굴 위치 감지부(321)에서 PCA 원리를 이용하여 감지된 사용자의 얼굴 위치 내에서 광신호를 검출할 대상영역을 선택할 수 있다. 보다 구체적으로, 대상영역 결정부(322)에서 선택된 대상영역은 발광부(100)에서 조사된 서로 다른 파장의 빛을 받은 사용자의 얼굴 영역 내의 한 부분일 수 있다.
광신호 검출부(330)는, 카메라부(200)에서 촬영된 짝수 번째 또는 홀수 번째 이미지마다 색상 채널별 분리된 각각의 광신호 데이터값을 검출할 수 있다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 광신호 검출부(330)는, 짝수 번째와 홀수 번째로 분리된 각각의 이미지에서 40×40픽셀 영역의 평균값을 검출할 수 있는데, RGB 표색계의 경우, 촬영된 이미지에서 적색(R) 성분 채널, 녹색(G) 성분 채널 및 청색(B) 성분 채널별로 40×40픽셀 영역에서의 광신호 평균값을 구할 수 있다.
특히, 광신호 검출부(330)는, 녹색(G) 성분 채널의 광신호 데이터를 검출할 수 있다. 즉, 발색요소인 헤모글로빈과 산화 헤모글로빈의 빛 흡수율이 가장 높은 파장인 녹색(G) 성분 채널을 사용함으로써, 사용자 얼굴 내 대상영역에서의 광신호를 측정하기에 더욱 용이하다.
가공부(340)는, 광신호 검출부(330)에서 검출된 광신호에서 노이즈를 필터링하고, 기설정된 이득 값으로 증폭시켜 가공할 수 있다. 보다 구체적으로, 얼굴 위치의 변화, 얼굴 방향의 변화 또는 얼굴 표정의 변화 등 얼굴의 움직임이나 사용자 얼굴의 대상영역을 비추는 빛과 같은 환경의 변화로 인하여 측정되는 광신호에 영향을 줄 수 있는데, 이러한 노이즈는 산소포화도 측정에 방해가 될 수 있다. 따라서, 노이즈 성분을 제거하거나, 저감하는 것이 바람직한바, 가공부(340)는, 필터를 사용함으로써, 출력되는 광신호의 주파수 범위를 결정하여, 노이즈 성분이 제거된 정확한 광신호를 추출할 수 있다. 보다 바람직하게는, 0.5 내지 3 ㎐의 버터워스 밴드패스 필터를 이용하여 광신호로부터 노이즈를 필터링할 수 있다. 또한, 가변저항을 이용함으로써, 사람마다 얻어지는 다양한 파형의 광신호에 따라 증폭률을 조절할 수 있는데, 파형이 작게 나오는 사람의 경우 광신호를 적절한 이득 값으로 증폭시킬 수 있다.
산소포화도 연산부(350)는, 가공부(340)에서 가공된 광신호로부터 사용자의 산소포화도를 도출하여 수치화할 수 있다. 보다 구체적으로, R V를 765㎚ 파장의 빛이 조사될 때 찍힌 짝수 번째 이미지에서 검출된 광신호의 극소점이라 하고, R P를 765㎚ 파장의 빛이 조사될 때 찍힌 짝수 번째 이미지에서 검출된 광신호의 극대점이라 하며, IR V를 880㎚ 파장의 빛이 조사될 때 찍힌 홀수 번째 이미지에서 검출된 광신호의 극소점이라 하고, IR P를 880㎚ 파장의 빛이 조사될 때 찍힌 홀수 번째 이미지에서 검출된 광신호의 극대점이라 하면, R OS는 아래의 수학식 1을 통해 구할 수 있다.
Figure PCTKR2020007295-appb-img-000001
즉, 산소포화도 연산부(350)는, 상기 수학식을 통해 계산된 R OS 값을 함수 등을 이용하여 실제 산소포화도로 매칭시킴으로써 사용자의 산소포화도를 실시간으로 연산할 수 있다.
디스플레이부(400)는, 중앙처리부(300)에서 연산된 사용자의 산소포화도를 사용자가 알 수 있도록 표시할 수 있다. 즉, 디스플레이부(400)는, 사용자가 자신의 산소포화도를 알 수 있도록 보여주는 모든 장치가 이용될 수 있는데, 예를 들면, 텔레비전의 액정 디스플레이, 컴퓨터의 액정 디스플레이 또는 휴대전화의 액정 디스플레이일 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 구동 방법 흐름을 도시한 도면이고, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 산소포화도를 연산하는 방법 흐름을 도시한 도면이다. 도 11 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)의 구동 방법은, (1) 발광부(100)에서 서로 다른 파장을 가지는 두 개의 광들을 산소포화도 측정이 요구되는 사용자의 피부 영역에 교대로 번갈아 조사하는 단계(S100), (2) 사용자의 피부 영역을 포함하는 이미지를 촬영하는 단계(S200), 및 (3) 단계 (2)에서 촬영된 이미지로부터 발광부에서 조사한 서로 다른 파장의 광들의 광신호를 검출하여 사용자의 산소포화도를 실시간으로 연산하는 단계(S300)를 포함하여 구현될 수 있으며, (4) 단계 (3)에서 연산된 사용자의 산소포화도를 사용자가 알 수 있도록 표시하는 단계(S400)를 더 포함하여 구현될 수 있다.
각각의 단계들과 관련된 상세한 내용들은, 앞서 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)과 관련하여 충분히 설명되었으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10) 및 그 구동 방법에 따르면, 종래의 산소포화도 측정에 주로 이용되는 신체 착용형 장치를 사용하지 않기 때문에, 산소포화도 측정 대상자가 장치를 꼭 착용해야만 하는 불편함을 줄이고, 무구속 상태에서 매우 쉽고 간편하게 산소포화도를 측정할 수 있으며, 산소포화도 측정 대상자가 카메라 앞에 잠시 서 있는 것만으로도 산소포화도를 측정할 수 있어 산소포화도 측정 시스템을 사용하는 데 있어서 번거로움을 줄일 수 있고, 간단하면서도 연속적으로 산소포화도 측정이 가능하다. 또한, 파장이 765㎚인 복수의 LED와 파장이 880㎚인 복수의 LED가 번갈아 위치하도록 배치된 발광장치를 이용하여 산소포화도 측정 대상자에게 일정한 강도의 빛을 조사함으로써, 조사되는 빛의 강도 변화로 인해 산소포화도 측정 시 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있으며, PCA(Principal Component analysis)를 이용하여 형성된 Eigen face(얼굴 공통의 형태 정보)를 이용해 이미지에서 사용자의 얼굴 위치를 감지하기 때문에, 보다 정확하면서도 신속하게 산소포화도를 측정할 수 있다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10)으로서,
    서로 다른 파장을 가지는 두 개의 광들을 산소포화도 측정이 요구되는 사용자의 피부 영역에 교대로 번갈아 조사하는 발광부(100);
    상기 사용자의 피부 영역을 포함하는 이미지를 촬영하는 카메라부(200); 및
    상기 카메라부(200)에서 촬영된 이미지로부터 상기 발광부에서 조사한 서로 다른 파장의 광들의 광신호를 검출하여 상기 사용자의 산소포화도를 실시간으로 연산하는 중앙처리부(300)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광부(100)는,
    파장이 765㎚인 복수의 LED와 파장이 880㎚인 복수의 LED가 번갈아 위치하도록 배치된 장치로서, 파장이 각각 765㎚와 880㎚인 빛이 교대로 발광하는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10).
  3. 제1항에 있어서, 상기 카메라부(200)는,
    상기 발광부(100)에서 파장이 765㎚인 빛과 파장이 880㎚인 빛이 교대로 조사하는 펄스에 맞춰 이미지를 촬영하는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10).
  4. 제1항에 있어서, 상기 중앙처리부(300)는,
    상기 발광부(100)에서 교대로 조사되는 펄스에 맞춰 상기 카메라부(200)에서 촬영된 이미지를 짝수 번째 이미지와 홀수 번째 이미지로 분리하는 이미지 분리부(310);
    상기 이미지 분리부(310)에서 분리된 짝수 번째 및 홀수 번째 이미지에서 광신호를 검출할 상기 사용자 피부의 대상영역을 선택하는 대상영역 선택부(320);
    상기 대상영역 선택부(320)에서 선택된 상기 대상영역에서 광신호를 검출하는 광신호 검출부(330);
    상기 광신호 검출부(330)에서 검출된 광신호에서 노이즈를 필터링하고, 기설정된 이득 값으로 증폭시켜 가공하는 가공부(340); 및
    상기 가공부(340)에서 가공된 광신호로부터 사용자의 산소포화도를 도출하여 수치화하는 산소포화도 연산부(350)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10).
  5. 제4항에 있어서, 상기 대상영역 선택부(320)는,
    상기 카메라부(200)에서 촬영된 이미지에서 사용자의 얼굴 위치를 감지하는 얼굴 위치 감지부(321); 및
    상기 얼굴 위치 감지부(321)에서 감지된 사용자의 얼굴 위치 내에서 광신호를 검출할 상기 대상영역을 선택하는 대상영역 결정부(322)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10).
  6. 제5항에 있어서, 상기 얼굴 위치 감지부(321)는,
    PCA(Principal Component analysis)를 이용하여 Eigen face(얼굴 공통의 형태 정보)를 형성함으로써, 형성된 Eigen face와 유사한 형태를 가지고 있는 부분을 사람의 얼굴이라 감지하는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10).
  7. 제4항에 있어서, 상기 광신호 검출부(330)는,
    상기 카메라부(200)에서 촬영된 짝수 번째 또는 홀수 번째 이미지마다 색상 채널별 분리된 각각의 광신호 데이터값을 검출하는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10).
  8. 제7항에 있어서, 상기 광신호 검출부(330)는,
    헤모글로빈과 산화 헤모글로빈의 빛 흡수율이 가장 높은 파장인 녹색(G) 채널에서의 광신호 데이터값을 검출하는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10).
  9. 제4항에 있어서, 상기 가공부(340)는,
    0.5 내지 3 ㎐의 버터워스 밴드패스 필터를 이용하여 상기 광신호로부터 노이즈를 필터링하는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10).
  10. 제1항에 있어서,
    상기 중앙처리부(300)에서 연산된 사용자의 산소포화도를 사용자가 알 수 있도록 표시하는 디스플레이부(400)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템(10).
  11. 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 구동 방법으로서,
    (1) 발광부(100)에서 서로 다른 파장을 가지는 두 개의 광들을 산소포화도 측정이 요구되는 사용자의 피부 영역에 교대로 번갈아 조사하는 단계;
    (2) 상기 사용자의 피부 영역을 포함하는 이미지를 촬영하는 단계; 및
    (3) 상기 단계 (2)에서 촬영된 이미지로부터 상기 발광부에서 조사한 서로 다른 파장의 광들의 광신호를 검출하여 상기 사용자의 산소포화도를 실시간으로 연산하는 단계를 포함하여 구현되는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 구동 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 단계 (1)에서 발광부(100)는,
    파장이 765㎚인 복수의 LED와 파장이 880㎚인 복수의 LED가 번갈아 위치하도록 배치된 장치로서, 파장이 각각 765㎚와 880㎚인 빛이 교대로 발광하는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 구동 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 단계 (2)에서는,
    상기 발광부(100)에서 파장이 765㎚인 빛과 파장이 880㎚인 빛이 교대로 조사하는 펄스에 맞춰 이미지를 촬영하는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 구동 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 단계 (3)은,
    (3-1) 상기 단계(1)에서 교대로 조사되는 펄스에 맞춰 상기 단계 (2)에서 촬영된 이미지를 짝수 번째 이미지와 홀수 번째 이미지로 분리하는 단계;
    (3-2) 상기 단계 (3-1)에서 분리된 짝수 번째 및 홀수 번째 이미지에서 광신호를 검출할 상기 사용자 피부의 대상영역을 선택하는 단계;
    (3-3) 상기 단계 (3-2)에서 선택된 상기 대상영역에서 광신호를 검출하는 단계;
    (3-4) 상기 단계 (3-3)에서 검출된 광신호에서 노이즈를 필터링하고, 기설정된 이득 값으로 증폭시켜 가공하는 단계; 및
    (3-5) 상기 단계 (3-4)에서 가공된 광신호로부터 사용자의 산소포화도를 도출하여 수치화하는 단계를 포함하여 구현되는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 구동 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 단계 (3-2)는,
    (3-2-1) 상기 단계 (2)에서 촬영된 이미지에서 사용자의 얼굴 위치를 감지하는 단계; 및
    (3-2-2) 상기 단계 (3-2-1)에서 감지된 사용자의 얼굴 위치 내에서 광신호를 검출할 상기 대상영역을 선택하는 단계를 포함하여 구현되는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 구동 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 단계 (3-2-1)에서는,
    PCA(Principal Component analysis)를 이용하여 Eigen face(얼굴 공통의 형태 정보)를 형성함으로써, 형성된 Eigen face와 유사한 형태를 가지고 있는 부분을 사람의 얼굴이라 감지하는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 구동 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 단계 (3-3)에서는,
    상기 단계 (2)에서 촬영된 짝수 번째 또는 홀수 번째 이미지마다 색상 채널별 분리된 각각의 광신호 데이터값을 검출하는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 구동 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 단계 (3-3)에서는,
    헤모글로빈과 산화 헤모글로빈의 빛 흡수율이 가장 높은 파장인 녹색(G) 채널에서의 광신호 데이터값을 검출하는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 구동 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 단계 (3-4)에서는,
    0.5 내지 3 ㎐의 버터워스 밴드패스 필터를 이용하여 상기 광신호로부터 노이즈를 필터링하는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 구동 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    (4) 상기 단계 (3)에서 연산된 사용자의 산소포화도를 사용자가 알 수 있도록 표시하는 단계를 더 포함하여 구현되는 것을 특징으로 하는, 이미지를 이용한 비접촉 산소포화도 측정 시스템 구동 방법.
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