Non-contact-oxygen-saturation-measurement

비접촉식으로 산소포화도 측정하는 방법 연구

Table of Contents

1. 산소포화도(SPO2) 개념
2. 산소포화도 측정 원리
3. 비접촉 산소포화도 측정 방법
4. 측정 결과
5. code
6. 관련 논문 및 특허

1. 산소포화도 개념

• 혈액 내 총 헤모글로빈 양에 대해 산소화 헤모글로빈의 상대적 농도
• 기본 SPO2는 95~99%
• 주로 맥박 산소 측정기를 사용하여 측정

2. 산소포화도 측정 원리

빛의 파장에 따른 헤모글로빈의 absorption coeffcient

• 파장에 따라 산소화 헤모글로빈과 탈산소화 헤모글로빈의 absorption coefficient가 다름
• 전형적인 SPO2 측정 방식은 산소화 헤모글로빈(HbO2)와 탈산소화 헤모글로빈(Hb)가 적색과 적외선 파장에서 서로 반대의 흡수 특성을 가진다는 사실을 활용하여 측정

Beer-Lambert 법칙

• 특정 물질에 대해 측정된 흡광도는 물질의 농도와 물질을 통과하는 빛의 경로 길이와 비례한다는 법칙

3. 비접촉 산소포화도 측정 방법

실험 하드웨어 및 실험 방법

• 저산소증을 유도하기 위해 피험자들에게 1분간 숨을 참도록 지시하여 평균 10% 정도의 산소포화도를 감소시킴

Logitech C920	CMS-50E

비접촉 산소포화도 측정 알고리즘

(1) 비접촉 PPG 신호 추출

• 얼굴 검출 (SSD 얼굴 검출기) 및 추적(KCF 추적기)
• 피부 영역 ROI (Cb-Cr 평면에서 피부 화소 클러스터링)
• 프레임 당 R,G,B 평균값을 통해 PPG 신호 추출

(2) 비접촉 산소포화도 신호 추출

• 밝기와 독립적인 신호 추출을 위해 RGB color space -> YCgCr color space 변환
• 심장 박동 신호 추출을 위한 Bandpass filtering(0.7~3Hz)
• 비박동성 요소 제거를 위한 valley/peak 계산
• 혈류량 노이즈 제거를 위한 Cr ratio / Cg ratio 계산
• 접촉식 산소포화도 값과의 Linear Regression

4. 측정 결과

	MAE	RMSE	Cosine Similarity	ICC(95% confidence interval)
rSPO2(CgCr)	0.537	0.692	0.999	0.922(0.905-0.936)
rSPO2(CbCr)	1.547	1.754	0.999	0.243(0.075-0.381)

5. code

• 1.video : 웹캠을 통해 실험 영상 촬영
• 2.rPPG_chrom : 비접촉 PPG 신호 추출
• 3.extract_rspo2 : 비접촉 산소포화도 신호 추출
• 4.evaluation : 측정 결과 분석
• model : 얼굴 검출 모델
• utils : 얼굴 추적기와 피부 ROI

6. 관련 논문 및 특허

• 논문 : Non-Contact Oxygen Saturation Measurement Using YCgCr Color Space with an RGB Camera
• 특허 : "비접촉 산소포화도 측정 방법 및 장치", 국내특허출원 (출원번호: 10-2021-0101420, 출원일: 2021.08.02, 등록번호: 10-2411622, 등록일: 2022.06.16)