심리적, 신체적 스트레스 환경을 고려한 PPG 기반 스트레스 추정 연구
Research on Stress Evaluation based on PPG Considering Psychological and Physical Stress Environments
초록/요약
신체 데이터 수집을 위한 센서의 비용 감소, 정확도 향상, 데이터 공개의 범위와 양 등이 늘어남에 따라 증가된 신체 데이터의 가치를 활용한 서비스 개발에 상당한 투자가 이루어 지고 있다. 다양한 신체 데이터를 실시간으로 수집할 수 있음에 따라 주관적인 판단으로만 평가되던 스트레스 정도를 데이터기반의 객관적인 지표로 추정하는 연구의 필요성과 가치 역시 증대하고 있다. 본 논문 에서는 기존 스트레스 추정을 위해 비스트레스 상황과 스트레스 상황 속 수집된 신체 데이터인 PPG (Photoplethysmography) 데이터 특징을 살펴보고, PPG에서 스트레스 추정까지의 전반적인 과정을 구현하며 새로운 분석 방향성을 제안한다. 또한, 비스트레스 상황에서 스트레스 상황에 돌입하는 과정에서 스트레스 추정에 활용되는 LF/HF값을 살펴보며 스트레스 상황을 인지하는 소요시간 및 스트레스 상황 종료 이후 안정화까지의 소요시간을 살펴본다. 데이터 분석을 위해 공공 데이터 셋과 자체 실험으로 PPG 데이터를 수집하였으며, 자체 실험은 스트레스 상황을 심리적 스트레스 상황과 신체적 스트레스로 세분화하여 진행하는 차별성을 두었다. 분석 결과 스트레스 상황에서 수집된 PPG는 비스트레스 상황 속 수집된 PPG 데이터에 비해 최대값과 최소값 사이의 진폭이 넓고, 데이터 사이 파장이 좁으며, 곡선은 울퉁불퉁한 특성을 보여 데이터 자체 복잡도가 높다는 특징이 있다. 육체 활동이 포함된 신체적 스트레스가 심리적 스트레스 상황 속 수집된 데이터 보다 더 복잡성을 띄는 특징을 확인 할 수 있었다. 다음으로, PPG 데이터를 시작으로 스트레스 추정에 활용되는 LF/HF 값 도출 과정에서 PPG 파형 속 최대값을 식별하고 최대값 기준의 데이터 추출을 진행하는 것이 일반적인 분석 방법이다. 하지만, 본 논문에서는 파형 속 최소값을 기준으로 분석을 진행하여도 기존 방법과의 정확도에서 유의미한 차이가 없지만 보다 효율적이고 직관적으로 피크값 식별이 가능하다는 새로운 분석 가능성의 시각을 보여줬다. 마지막으로, 비스트레스 상황 속 관측되는 낮은 LF/HF 값에서 스트레스 상황을 인지하여 0.5 이상의 LF/HF 값에 도달하는데 소요되는 시간은 약 4분, 스트레스 상황 시작 시간부터 가장 높은 LF/HF값에 도달하는데 소요되는 시간은 약 7분, 그리고 스트레스 상황 종료 후 다시 안정화까지는 약 3분 이상이 소요된다는 것을 확인 하였다 본 논문의 결과가 관련 산업의 연구에 기여할 수 있는 첫번째로는 비 스트레스 상황, 심리적 스트레스 상황, 그리고 신체적 스트레스 상황 속 PPG 데이터 특성의 차이를 발견하고 설명한 점이다. 두번째로는 PPG 데이터에서 스트레스 추정의 분석 과정에 있어 PPG 피크값 판별에 최소값을 활용하는 새로운 시각을 제시한다는 점이다. 마지막으로 인지하고 있는 스트레스 상황 시작 5분전부터 스트레스 상황 종료 5분 후까지의 LF/HF 값은 비스트레스 속 LF/HF 값에 비해 높게 측정된다는 것으로, 안정적인 상황 속 신체 데이터 수집이 필요한 연구를 수행한다면, 이러한 시간적 개념을 활용할 수 있을 것이라 예상된다.
more초록/요약
As the cost of collecting quantitative measurements of the body data decreases, the accuracy of sensors improves, and the volume of disclosed public data increase, the value and investments of services incorporating body data increased significantly. Thus, the need and value of estimation of stress level of person, which was collected only via subjective judgment, increased with new possibility of evaluating the level with objective data-driven analysis. In this paper, we examine the characteristics of PPG (Photoplethysmography) data collected in both non-stress and stress environments. By implementing general analysis process for PPG to estimate stress level, we propose an alternative view on how to improve the process. In addition, the changes in LF/HF values from non-stress environments to a stress situation are examined, and the time prior to stress environments and stabilization after the end of the stress environments are examined. A public dataset and results from in-house experiments are used for analysis. In-house experiments collected PPG data by subdividing stress into psychological stress and physical stress. As a result, PPG collected under stress conditions shown a wider amplitude, narrower time-interval distance between points, and rougher shape as compared to PPG data collected under non-stress conditions. PPG under physical stress depicted rougher shape than data collected in psychological stress situations. In the process of deriving LF/HF values used for stress estimation, the general analysis begins with identifying the maximum points in PPG waveform. However, in this paper, even if the analysis is conducted with the minimum value of the waveform, there is no significant difference in accuracy. The results suggest the new possibility in analyzing PPG data with higher efficiently. Finally, the time required to reach 0.5 LF/HF ratio or higher from the non-stress environments are 4 minutes, and the time to reach the highest LF/HF value from the start of the stress situation is about 7 minutes. Approximately 3 minutes or more is required for the subject to be stabilized again after the end of the stress environments. The contribution of this paper are the followings. First, it explains the difference in PPG characteristics in non-stress, psychological stress, and physical stress situations. Second, in the analysis process of stress estimation in PPG data, a new perspective on the PPG peak value selection with minimum value is considered. We believe more efficient data analysis will be possible in the near future. Finally, from 5 minutes before the stressful situation to 5 minutes after the end of the stressful situation, the LF/HF values are measured higher than in the stable state. If a study that requires stable data collection is conducted, it is expected that this temporal concept will be applicable.
more목차
제 1 장 서론 1
제 1 절 연구 배경 1
제 2 절 연구 목적 11
제 2 장 선행 연구 12
제 1 절 심리적 스트레스 분석 관련 선행 연구 12
제 2 절 신체 데이터를 활용한 스트레스 측정 선행연구 16
제 3 장 연구 방법 20
제 4 장 WESAD 공공 데이터 셋 24
제 1 절 연구 대상자 24
제 2 절 측정 장비 25
제 3 절 실험 방법 27
제 4 절 WESAD 데이터 셋의 한계점 30
제 5 장 자체 실험 데이터 셋 32
제 1 절 연구 대상자 산출 33
제 2 절 실험 환경 35
제 3 절 측정 장비 36
제 4 절 실험 방법 38
제 6 장 데이터 분석 방법 53
제 1 절 PPG 데이터의 특성 분석 53
제 2 절 PPG 피크값 식별 54
제 3 절 PPG 피크값 사이의 시간격 (PPI) 산출 57
제 4 절 주파수 분석 58
제 7 장 분석 결과 59
제 1 절 PPG 데이터의 특성 분석 59
제 2 절 PPG 피크값 식별 64
제 3 절 PPG 피크값 사이의 시간격 (PPI) 산출 66
제 4 절 주파수 분석 70
제 8 장 결론 81
제 1 절 연구결과 요약 81
제 2 절 연구의 시사점 83
제 3 절 연구의 한계점 및 향후 연구 과제 85
참고 문헌 86
