신생아 호흡수 측정을 위한 압력 민감 매트의 시간·주파수 영역 분석 비교

초록

본 연구는 신생아 환자 시뮬레이터에서 XSensor 압력 민감 매트(PSM)를 이용해 호흡수(RR)를 추정하는 방법을 평가한다. 수집된 PSM 신호를 시간 영역과 주파수 영역으로 각각 분석하고, 전처리(정규화, 디트렌딩, 중앙값 필터) 전·후의 성능을 비교하였다. 주파수 영역에서 평균값을 제거한 데이터에 대해 파워 스펙트럼을 이용하면 RR 추정 오차가 0 %로 가장 정확했으며, 시간 영역에서는 최소 RMS 오차가 1.57 %에 머물렀다. 또한 주파수 영역에서는 피크 높이 비율을 활용해 추정 신뢰도를 제공한다. 결과는 신생아 모니터링에 PSM 기반 주파수 분석이 유망함을 시사한다.

상세 분석

이 논문은 기존 성인용 압력 민감 매트(PSM) 기술을 신생아 수준의 미세 움직임을 감지하도록 확장한 XSensor 매트를 활용한다. 실험은 신생아 환자 시뮬레이터를 사용해 30 ~ 80 bpm 범위의 호흡수를 설정하고, 매트 위에 놓인 시뮬레이터가 생성하는 압력 변동을 200 Hz 샘플링으로 기록하였다. 수집된 원시 신호는 크게 두 갈래로 처리되었다. 첫 번째는 시간 영역 접근법으로, 신호의 연속적인 진폭 변화를 직접 분석해 피크 간 간격을 측정하고, 이를 통해 호흡 주기를 추정한다. 여기서는 RMS 오차를 성능 지표로 사용했으며, 전처리 단계(정규화, 디트렌딩, 중앙값 필터) 적용 시에도 오차 감소가 제한적이었다. 두 번째는 주파수 영역 접근법으로, 평균값을 제거한(mean‑shifted) 신호에 대해 푸리에 변환을 수행하고 파워 스펙트럼(Periodogram)을 계산한다. 가장 높은 피크 주파수가 호흡수와 일치하면 해당 값을 RR로 채택하고, 피크 높이 대비 주변 잡음 수준을 비율로 계산해 신뢰도 지표를 만든다. 실험 결과, 주파수 분석은 모든 전처리 조건에서 0 % 오차를 달성했으며, 특히 원시 데이터에서도 동일한 정확도를 보였다. 이는 신생아와 같이 진폭이 작고 잡음에 민감한 상황에서 주파수 도메인이 시간 도메인보다 신호‑대‑잡음비(SNR)를 효과적으로 향상시킨다는 점을 입증한다. 또한, 피크 높이 비율을 이용한 신뢰도 평가는 임상 현장에서 자동 알람 시스템과 결합할 경우 오탐지를 최소화하는 데 유용할 것으로 기대된다. 연구는 제한적으로 시뮬레이터만을 사용했으며, 실제 신생아의 움직임·체형·피부 접촉 압력 변동을 반영한 추가 검증이 필요하지만, 현재 결과만으로도 PSM 기반 비접촉 호흡 모니터링이 실시간 임상 적용 가능성을 충분히 보여준다.