Wrist PPG During Exercise - 운동 중 손목 PPG & 필터링
Wrist PPG During Exercise - 운동 중 손목 PPG
저번에 하던 시각화 마무리
걷기, 뛰기, 저저항 자전거, 고저항 자전거에서의 ECG와 PPG 그래프 비교
- 모든 활동에서 ECG 이후에 PPG 신호의 상승이 뒤따르는 패턴이 관찰
저저항 > 고저항 > 걷기 > 달리기
자전거활동은 손목이 고정된 채로 채집하기에 걷기와 달리기보다 더 안정적임
근데 필터링이 안대서 사실 그래프만으로 뭘 판별하기는 어려워보임
필터링 방법 탐색
주파수 추정 및 노치 필터링에 기반한 정확한 심박수 계산을 위한 집중 운동 중 광체계 센서의 모션 아티팩트 제거
노치필터를 사용하는 이유
PPG 데이터에서 60Hz를 제거하는 이유는 주로 전력선 잡음 때문입니다. 전력선 잡음은 전기 시스템에서 발생하는 50Hz 또는 60Hz의 주파수 성분으로, PPG 신호와 유사한 주파수 대역에 위치할 수 있습니다. 이 잡음은 PPG 신호의 품질을 저하시키고, 정확한 심박수 추정이나 혈중 산소 포화도(SpO2) 측정에 영향을 미칠 수 있습니다.
그래서 SciPy 라이브러리 scipy.signal.iirnotch 를 사용하여 60Hz를 감쇠를 했는데 아직까지 잘 이해가 안댐. 왜 해당 주파수를 감쇠해야 하는지? 위에 설명으로 잘 이해가 가지 않음
A: 전류때매. 전기신호가 60Hz가 생체신호안에 들어가버림. 얘를 들어 음성신호 같은 경우는 어차피 주파수가 높기때문에 상관없는데 생체신호는 그안에 들어가 버려서 필터링이 필요함.
다시 주파수부터
주파수(Hz)의 기본 개념
주파수는 1초 동안 발생하는 진동이나 사이클의 횟수를 나타내며, 단위는 Hz(헤르츠)입니다.
- 1 Hz = 1초당 1회 진동
- 10 Hz = 1초당 10회 진동
심박수와 주파수의 관계
심박수는 분당 심장 박동 횟수(BPM, Beats Per Minute)로 표현됩니다.
- 60 BPM = 1초당 1회 박동 = 1 Hz
- 120 BPM = 1초당 2회 박동 = 2 Hz
따라서 심박수를 주파수로 변환하는 공식은: 주파수(Hz) = 심박수(BPM) ÷ 60
ECG 신호의 주파수 성분
ECG 신호는 다양한 주파수 성분으로 구성됩니다:
- 기본 심박수 주파수:
- 일반적인 휴식 시 심박수: 60-100 BPM = 1-1.67 Hz
- 운동 시 심박수: 최대 200 BPM = 3.33 Hz
그러면 필터링을 할때
일반적인 휴식과 운동할때의 경우를 같은 기준으로 주파수를 필터링하면 안되지 않나?
A: 순서가 달라서 안댐. 우리가 그걸 운동이라고 알고 필터링을 할 수 없기에 불가능. Real-world에서 사용가능한지 생각해야 함.
뭔가 옛날 비트코인 예측 했을때 생각났음. 그때 이 기법을 Real-world에 적용가능한지 말이 많았는데.
S3_run 노치, 밴드패스 필터 후 시각화
시간도메인 그래프
주파수 도메인 그래프
원본
원본 → 노치 필터
원본 → 노치 필터 → 밴드패스 필터
Q: 보면 노치 필터를 적용하면 60hz에서 감쇠하는게 보이지만 결국 밴드패스필터를 거치면 저렇게 되는데 저러면 노치필터를 사용할필요없이 넘어가고 바로 밴드패스로가면 되는거 아닌가?
GPT Answer:
- 전원 노이즈의 강도: 60Hz 전원 노이즈는 종종 매우 강해서 밴드패스 필터만으로는 완전히 제거하기 어려울 수 있습니다.
- 단계적 필터링의 장점: 강한 특정 주파수 노이즈를 먼저 제거한 후 밴드패스 필터를 적용하면 전체적인 필터링 품질이 향상될 수 있습니다.
실제로는 응용 분야와 신호 특성에 따라 노치 필터를 생략하고 적절한 밴드패스 필터만 사용하는 경우도 있습니다. 하지만 의료 장비와 같이 신호 품질이 중요한 경우에는 단계적 필터링 접근 방식이 더 안전하고 효과적일 수 있습니다.
교수님 추가 Ansewr: 필터링이 정확히 0과 1로 필터링하지 않기 때문에 여러개가 더 효과가 좋음
시간 도메인 그래프
주파수 도메인 그래프
필터링을 적용한 후 ECG, PPG의 그래프가 안정화되어 주요요소가 강조댐.
아마 여기서 이제 지연시간이 달라서 이 지연시간을 맞춰서 ECG를 그라운드로해서 PPG를 맞춰나갈지
단순 peak를 검출하여 이 peak로 하여금 PPG를 ECG에 맞춰나갈지 고민해봐야댈 것 같음.