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KR102436290B1 - 트레드밀 장치에서의 심박수 회복율 산출 방법 및 이를 구현한 트레드밀 장치 - Google Patents

트레드밀 장치에서의 심박수 회복율 산출 방법 및 이를 구현한 트레드밀 장치 Download PDF

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KR102436290B1
KR102436290B1 KR1020210107223A KR20210107223A KR102436290B1 KR 102436290 B1 KR102436290 B1 KR 102436290B1 KR 1020210107223 A KR1020210107223 A KR 1020210107223A KR 20210107223 A KR20210107223 A KR 20210107223A KR 102436290 B1 KR102436290 B1 KR 102436290B1
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KR
South Korea
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heart rate
unit
exercise
rate
user
Prior art date
Application number
KR1020210107223A
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English (en)
Inventor
한상근
Original Assignee
(주)헬스원
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Publication date
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Abstract

본 발명은 트레드밀 장치에 관한 것으로서, 사용자의 심박수를 측정하기 위한 센서부, 사용자로부터 정보를 입력받거나, 트레드밀 장치 구동을 위한 제어 명령을 입력받기 위한 입력부, 트레드밀 장치 구동을 위한 데이터 및 미리 프로그래밍된 각종 운동모드가 저장되어 있는 저장부, 컨베이어 벨트를 구동시키기 위한 구동부, 상기 입력부를 통해 입력된 제어 명령과 상기 저장부에 저장된 운동모드에 따라 트레드밀 장치의 구동을 제어하며, 상기 운동모드 중 심박수 회복율 산출 모드가 선택되면, 상기 센서부로부터 측정된 사용자의 심박수를 이용하여 심박수 회복율을 산출하여 표출하는 제어부 및 상기 제어부의 제어에 따라 심박수 회복율을 포함하는 각종 정보를 표출하는 디스플레이부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 트레드밀 장치에서 심박수 회복율을 산출할 수 있으므로, 보다 간편하고 정확한 심박수 회복율을 산출할 수 있는 효과가 있다.

Description

트레드밀 장치에서의 심박수 회복율 산출 방법 및 이를 구현한 트레드밀 장치 {Method for calculating heart rate recovery rate in a treadmill device and a treadmill device implementing the same}
본 발명은 트레드밀 장치에서의 심박수 회복율 산출 방법 및 이를 구현한 트레드밀 장치에 관한 것이다.
최근 들어 현대인들의 사회적 활동 영역이 주로 협소한 공간에서 컴퓨터를 통해 이루어지고 있고, 이에 따라 현대인들은 자신들의 건강 도모에 많은 노력을 기하고 있으며, 이를 해결하기 위한 방편으로 가정 또는 가까운 헬스장 등을 이용하여 자신들의 건강 증진을 도모하고 있다.
일반적으로 헬스장 또는 체력단련장에는 여러 종류의 운동기구가 있는데, 예를 들어, 런닝머신 또는 트레드밀(treadmill)은 앞으로 전진하는 컨베이어 벨트 위에서 운동자가 걷거나 혹은 가볍게 달리도록 되어 있기 때문에, 좁은 공간에서도 손쉽게 운동할 수 있어, 다른 여러 종류의 헬스기구보다 운동의 효과가 매우 큰 관계로 그 이용자가 많다.
트레드밀은 런닝머신으로 불려지는 운동기구로, 무한 궤도로 회전하는 컨베이어 벨트를 이용하여 좁은 공간에서 걷거나 뛰는 운동 효과를 가져올 수 있어 가정용이나 스포츠센터 등에서 널리 사용되고 있다. 트레드밀은 겨울철에도 적당한 온도의 실내에서 걷기 또는 런닝(running) 운동을 할 수 있으며, 런닝 속도를 임의로 조절할 수 있으므로 그 수요가 급증하고 있다.
지구성 운동수행 능력의 결정요인은 최대 산소 섭취량, 젖산 역치 수치, 달리기를 할 때 산소 섭취량의 상대적 수준, 달리기의 효율성 등이 있다. 여기서, 젖산역치 측정은 피를 뽑아서 피 속에 있는 젖산을 측정하는 방식으로 운동시 젖산역치 수치 측정이 불가능하다.
그래서 종래 연구에 의하면, 지구성 운동수행 능력은 최대 산소 섭취량(VO2max) 외에 피로회복 능력을 측정하는 방식으로 확인하며, 여기서 심박수 회복 능력을 측정해야 할 필요성이 있다.
지구성 운동 수행 능력은 젖산 제거 능력과 관련이 있으며, 이는 혈관의 탄력도 또는 자율신경계 조절과 관련이 있는 것으로 알려져 있으며, 특히 선수들의 회복 능력은 혈중 젖산 농도와 심박수 변화로 평가한다. 한편, 젖산 제거 능력은 심박수 회복율과 거의 동일한 것으로 알려져 있다.
그러나, 종래 지구성 운동 수행 능력을 평가하기 위하여 젖산 역치를 측정해야 하고, 이때 피검자에게 채혈하여 피 속에 있는 젖산을 측정해야 하는데, 운동 중에 젖산역치 수치를 측정하는 것이 불가능하다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 10-2021-0023190
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 심박수를 이용하여 용이하게 심박수 회복율을 산출할 수 있는 트레드밀 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 트레드밀 장치에 관한 것으로서, 사용자의 심박수를 측정하기 위한 센서부, 사용자로부터 정보를 입력받거나, 트레드밀 장치 구동을 위한 제어 명령을 입력받기 위한 입력부, 트레드밀 장치 구동을 위한 데이터 및 미리 프로그래밍된 각종 운동모드가 저장되어 있는 저장부, 컨베이어 벨트를 구동시키기 위한 구동부, 상기 입력부를 통해 입력된 제어 명령과 상기 저장부에 저장된 운동모드에 따라 트레드밀 장치의 구동을 제어하며, 상기 운동모드 중 심박수 회복율 산출 모드가 선택되면, 상기 센서부로부터 측정된 사용자의 심박수를 이용하여 심박수 회복율을 산출하여 표출하는 제어부 및 상기 제어부의 제어에 따라 심박수 회복율을 포함하는 각종 정보를 표출하는 디스플레이부를 포함한다.
상기 제어부는 운동 중 측정된 사용자의 최고 심박수, 사용자의 신체가 완전히 휴식을 취한 상태에서 측정한 가장 낮은 심박수인 안정시 심박수, 운동을 종료하고 일정 시간 후에 측정한 심박수인 회복기 심박수를 측정하고, 심박수 회복율(%)=((최고 심박수-회복기 심박수)/(최고 심박수-안정시 심박수))*100의 수식을 이용하여 심박수 회복율을 산출할 수 있다.
상기 센서부는 사용자의 신체 일부에 착용되는 웨어러블 기기로 구현될 수 있다.
본 발명의 트레드밀 장치에서의 심박수 회복율 산출 방법에서, 입력부를 통해 심박수 회복율 산출 모드가 선택되면, 제어부는 사용자의 심박수를 산출하는 단계, 상기 제어부는 심박수를 이용하여 심박수 회복율을 산출하는 단계 및 상기 제어부는 산출한 심박수 회복율을 디스플레이부를 통해 표출하는 단계를 포함한다.
상기 제어부는 운동 중 측정된 사용자의 최고 심박수, 사용자의 신체가 완전히 휴식을 취한 상태에서 측정한 가장 낮은 심박수인 안정시 심박수, 운동을 종료하고 일정 시간 후에 측정한 심박수인 회복기 심박수를 측정하고, 심박수 회복율(%)=((최고 심박수-회복기 심박수)/(최고 심박수-안정시 심박수))*100의 수식을 이용하여 심박수 회복율을 산출할 수 있다.
본 발명에 의하면, 트레드밀 장치에서 심박수 회복율을 산출할 수 있으므로, 보다 간편하고 정확한 심박수 회복율을 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 간단하게 심박수 회복율을 산출함으로써, 지구성 운동 수행 능력을 용이하게 평가할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 트레드밀 장치에서 심박수 회복율을 산출하여 표시함으로써, 일반 피트니스 센터, 엘리트 스포츠 영역, 헬스케어 전 분야에서 과학적인 관리 시스템을 구현할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 트레드밀 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 트레드밀 장치의 외관을 예시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박계의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 심박계의 신호처리부의 적응 필터 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 트레드밀 장치에서의 심박수 회복율 산출 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선수들을 대상으로 실제 테스트한 심박수 회복율 수치를 정리한 도표이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 수행 능력 산출 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8은 점진적 운동 부하량의 기준을 정리한 도표이다.
본 명세서에서 개시된 실시 예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시에서 제안하고자 하는 실시 예는 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 실시 예들의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시 예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 개시된 실시 예들의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 상세한 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 트레드밀 장치의 구성을 보여주는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 트레드밀 장치의 외관을 예시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 트레드밀 장치는 센서부(110), 입력부(120), 저장부(130), 제어부(140), 구동부(150), 컨베이어 벨트(160), 디스플레이부(160)를 포함한다.
센서부(110)는 사용자의 심박수를 측정하는 역할을 한다. 도 2의 실시예에서 센서부(110)는 트레드밀 장치의 일부에 형성되어 있는 실시예가 예시되어 있으며, 사용자가 손으로 잡을 수 있는 위치에 손잡이 형태로 돌출되어 있는 구조로 구현되어 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 센서부(110)는 사용자의 신체 일부에 착용되는 웨어러블 기기(wearable device)로 구현될 수 있다. 이때, 웨어러블 기기는 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 예를 들어 팔에 착용하는 암밴드 형태, 손목에 착용하는 시계형태, 또는 가슴에 착용하는 체스트벨트 형태 등으로 웨어러블 기기를 구현할 수 있다.
입력부(120)는 사용자로부터 정보를 입력받거나, 트레드밀 장치 구동을 위한 제어 명령을 입력받는 역할을 한다.
저장부(130)에는 트레드밀 장치 구동을 위한 데이터 및 미리 프로그래밍된 각종 운동모드가 저장되어 있다.
구동부(150)는 컨베이어 벨트(160)를 구동시키는 역할을 한다.
제어부(140)는 입력부(120)를 통해 입력된 제어 명령과 저장부(130)에 저장된 운동모드에 따라 트레드밀 장치의 구동을 제어한다. 그리고 운동모드 중 심박수 회복율 산출 모드가 선택되면, 센서부(110)로부터 측정된 사용자의 심박수를 이용하여 심박수 회복율을 산출하여 표출한다.
디스플레이부(170)는 제어부(140)의 제어에 따라 심박수 회복율을 포함하는 각종 정보를 표출하는 역할을 한다.
제어부(140)는 운동 중 측정된 사용자의 최고 심박수, 사용자의 신체가 완전히 휴식을 취한 상태에서 측정한 가장 낮은 심박수인 안정시 심박수, 운동을 종료하고 일정 시간 후에 측정한 심박수인 회복기 심박수를 측정하고, 심박수 회복율(%)=((최고 심박수-회복기 심박수)/(최고 심박수-안정시 심박수))*100의 수식을 이용하여 심박수 회복율을 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 회복기 심박수는 운동 종료 후 1분 후에 측정한 심박수로 설정할 수 있다.
제어부(140)는 입력부(120)를 통해 입력된 제어 명령과 저장부(130)에 저장된 운동모드에 따라 트레드밀 장치의 구동을 제어한다. 그리고 운동모드 중 최대 산소 섭취량 산출 모드가 선택되면, 입력부(120)를 통해 입력된 사용자의 체중, 나이 및 성별을 포함하는 기본 정보와 센서부(110)로부터 측정된 사용자의 심박수를 이용하여 최대 산소 섭취량을 산출하여 표출한다.
디스플레이부(170)는 제어부(140)의 제어에 따라 최대 산소 섭취량을 포함하는 각종 정보를 표출하는 역할을 한다.
제어부(140)는 최대 산소 섭취량 산출 모드에서, 미리 설정된 거리만큼 컨베이어 벨트가 구동되도록 운동 모드를 진행하고, 운동 모드가 종료되면 운동 모드를 진행한 진행 시간을 산출하고, 운동 모드 종료 후 일정 시간 동안 사용자의 평균 심박수를 계산하고, 산출된 진행 시간 및 평균 심박수를 이용하여 최대 산소 섭취량을 산출할 수 있다.
본 발명에서 1마일 걷기 테스트 방식을 반영한 최대 산소 섭취량(VO2max) 산출 수식(1 mile 걷기를 통한 산출방식)은 다음과 같다.
VO2max=132.853-체중-나이+성별-시간-심박수 (1)
(1)의 수식의 각 파라미터에 가중치를 반영한 수식은 다음과 같다.
VO2max=132.853-(0.1692×W)-(0.3877×age)+(6.315×G)-(3.2649×T)-(0.1569×HR) (2)
여기서, W는 체중(kg), age는 나이, G는 성별(1=male, 0=female), T는 시간, HR은 심박수(heart rate)를 나타낸다. 심박수는 운동 종료 후 분당 심박수를 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에서 심박수는 운동 종료 후 10초동안 측정된 심박수의 평균을 사용할 수 있다. 이때 동잡음이 제거된 심박계를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제어부(140)는 상기 수식을 이용하여 최대 산소 섭취량(VO2max)을 산출할 수 있다.
구체적인 검사 방법은 검사 대상자가 트레드밀 장치에서 1마일(1.6km)의 거리를 걷고, 종료 후 10초간 측정된 심박수와 대상자의 신체 정보를 토대로 수식을 이용하여 최대 산소 섭취량을 계산한다.
지구성 운동능력은 운동 후 심박수 회복율 관련이 있으며, 이는 혈관의 탄력도나 자율신경계 조절과 관련이 있는 것으로 알려져 있다.
본 발명에서는 트레드밀 장치에서 사용자의 운동능력을 분석하는데 필요한 지표 중의 하나인 심박수 회복율을 산출하는 방법을 제안한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 트레드밀 장치에서의 심박수 회복율 산출 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 제어부(140)는 운동 모드 중 심박수 회복율 측정 모드가 선택되면(S501), 안정시 심박수를 측정한다(S503).
그리고, 운동이 시작되면(S505), 컨베이어 벨트(160)를 구동시킨다(S507).
그리고, 운동이 종료될 때까지 점진적 운동 부하를 조정하여, 운동 중 최고 심박수를 측정한다(S509, S511, S513).
도 8은 점진적 운동 부하량의 기준을 정리한 도표로서, KISS(체육진흥공단)의 프로토콜(Protocol) 기준을 기반으로 정리한 것이다.
도 8에서 경사도 6%와 2분의 시간 동안 속도(Km/H)를 5.4, 6.6, 7.8... 등으로 점진적으로 증가시키는 것을 기준으로, 본 발명에서 점진적 운동 부하를 조정할 수 있다.
그리고, 운동 모드 중에 제어부(140)는 센서부(110)를 통해 사용자의 심박수를 측정한다(S505).
운동이 종료되면, 제어부(140)는 컨베이어 벨트(160)의 구동을 중단시킨다(S515).
그리고, 제어부는 1분 후에 회복기 심박수를 측정한다(S517).
그리고, 제어부(140)는 운동 중 측정된 사용자의 최고 심박수, 사용자의 신체가 완전히 휴식을 취한 상태에서 측정한 가장 낮은 심박수인 안정시 심박수, 운동을 종료하고 일정 시간 후(예를 들어, 1분 후)에 측정한 심박수인 회복기 심박수를 이용하여 심박수 회복율을 산출한다(S519).
본 발명에서 심박수 회복율 산출 수식은 다음과 같다.
심박수 회복율(%)=((최고 심박수-회복기 심박수)/(최고 심박수-안정시 심박수))*100
즉, 본 발명에서 심박수 회복율은 운동 후 심박수가 일정 시간 내에 안정시 심박수 수준으로 떨어지는 비율을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에서 회복기 심박수는 운동 종료 후 1분 후에 측정한 심박수로 설정할 수 있다.
그리고, 제어부(140)는 산출된 심박수 회복율을 디스플레이부(170)에 표출한다(S521).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선수들을 대상으로 실제 테스트한 심박수 회복율 수치를 정리한 도표이다.
도 6의 예시에서 회복기 심박수는 운동을 종료하고 1분 후의 심박수를 측정한 것이다.
도 6에서 실험자A는 26.7%, B는 36.7%, C는 42.3%, D는 38.1%, E는 47.0%의 심박수 회복율을 나타내고 있다. 심박수 회복율이 높을수록 운동 능력이 우월하다고 평가할 수 있으므로, 도 6의 분석예에서 운동 능력이 가장 우월한 선수는 실험자E로 볼 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 수행 능력 산출 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 트레드밀 장치에서의 운동 수행 능력 산출 방법에서, 입력부(120)를 통해 운동 수행 능력 산출 모드가 선택되면, 사용자의 체중, 나이 및 성별을 포함하는 기본정보를 입력받는다(S701).
그리고, 입력부(120)를 통해 구동 제어 명령이 입력되면(S703), 제어부(140)는 구동부(150)를 통해 컨베이어 벨트(160)를 구동시켜서 운동 모드를 진행한다(S705).
운동 모드가 종료되면(S707), 제어부(140)는 구동부(150)를 통해 컨베이어 벨트(160)의 구동을 중단시킨다(S709).
그리고, 제어부(140)는 최대 산소 섭취량을 계산하고(S711), 심박수 회복율을 계산한다(S713).
그리고, 제어부(140)는 최대 산소 섭취량과 심박수 회복율을 이용하여 운동 수행 능력을 산출한다(S715). 이때, 제어부(140)는 최대 산소 섭취량과 심박수 회복율에 각각 미리 정해진 가중치를 곱하고, 이를 합산하는 방식으로 운동 수행 능력을 산출할 수 있다.
S711 단계의 최대 산소 섭취량 계산과, S713 단계의 심박수 회복율 계산의 구체적인 계산 방식은 전술한 내용과 같다.
본 발명의 일 실시예에서 센서부(110)는 사용자의 신체 일부에 착용되는 웨어러블 기기 형태로 구현될 수 있으며, 이때의 웨어러블 기기는 PPG(광혈류 측정 방식), ECG(심전도 측정 방식) 등의 측정 방식이 구현된 심박계의 기능을 수행할 수 있다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에서는 동잡음이 제거된 심박계 구조를 제안한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박계의 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 심박계는 서로 이격되어 측정 부위에 광을 조사하는 복수의 발광부들(210a~d), 상기 발광부들(210a~d)의 중심 영역에 배치되고 상기 발광부들(210a~d)에 의한 상기 측정 부위의 반사광 또는 투과광을 감지하는 수광부(220), 상기 수광부(220)의 측정 신호(D(t))를 증폭 및 필터링하는 사전 신호처리부(240), 및 상기 사전 신호처리부(240)의 출력 신호(d(n),x(n))를 이용하여 피측정자의 맥박 수를 추출하는 신호처리부(250)를 포함한다. 상기 발광부들(210a~d)과 상기 수광부(220)는 복수의 광경로를 제공하고, 상기 수광부(220)는 상기 측정 부위에서 공간적으로 평균된 반사광 또는 투과광을 감지한다.
상기 심박계는 상기 피측정자의 상기 측정부위의 혈관을 통하여 흐르는 혈류의 용적 변화를 감지할 수 있다. 상기 피측정자의 상기 측정부위는 귀, 손가락, 발가락, 목, 팔목, 또는 이마 등일 수 있다. 상기 측정 부위는 상기 발광부들(210a~210d)이 둘러싸는 영역으로 정의될 수 있다.
상기 발광부들(210a~210d)은 적외선 또는 가시광선을 방출할 수 있다. 상기 발광부들(210a~210d)은 자체 발광하는 소자 또는 형광물질을 이용하는 발광 소자를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 발광부들(210a~210d)은 적외선 LED(Light Emitting Diode), 청색 LED, 적색 LED, 또는 녹색 LED일 수 있다. 상기 발광부들(210a~210d)은 상기 수광부(220) 주위에 대칭적으로 배치될 수 있다. 상기 발광부들(210a~210d)은 하나로 패키징될 수 있다. 상기 발광부들(210a~210d)은 하나의 전원 공급기(119)를 통하여 전력을 공급될 수 있다. 상기 전원 공급기(119)는 배터리, 또는 DC 전원일 수 있다.
상기 수광부(220)는 상기 발광부들(210a~210d)의 중심 영역에 배치될 수 있다. 상기 수광부(220)는 상기 발광부들(210a~210d)의 반사광 또는 투과광을 수광할 수 있다. 상기 수광부(220)는 광필터를 더 포함할 수 있다.
상기 수광부(220)는 포토 다이오드(photo diode: PD), CCD(charge coupled device), 및 CIS(complementary image sensor) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 수광부(220)는 상기 발광부들(210a~210d)의 투과광 또는 반사광을 집광하는 집광부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 수광부(220)가 상기 집광부를 포함하는 경우, 상기 집광부는 상기 발광부들(210a~210d)의 중심영역에 배치될 수 있다. 상기 수광부(220)는 아날로그 형태의 측정 신호(D(t))를 출력할 수 있다.
하나의 발광부를 사용하는 경우, 상기 발광부와 상기 수광부는 하나의 광 경로를 제공한다. 따라서, 동적 운동이 있는 경우, 상기 발광부에서 상기 수광부에 이르는 광 경로 및 세기는 변할 수 있다. 상기 동적 운동에 의한 국부적인 피부의 압력은 피부와 혈관의 변화를 야기하여 동잡음을 발생시킬 수 있다.
상기 동적 운동에 의한 신호 왜곡(motion artifact)을 감소시키기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 심박계는 복수의 발광부들(210a~210d)과 상기 수광부(220) 사이에 복수의 광 경로를 제공한다. 이에 따라, 동적 운동이 있는 경우에도, 상기 수광부(220)는 공간적으로 평균된 투과광 또는 반사광을 얻을 수 있다. 상기 동잡음은 공간적으로 평균화되어 감소될 수 있다.
또한, 특정 방향 움직임은 혈관 내 흐르는 혈류량과 속도변화에 영향을 미칠 수 있다. 상기 특정 방향의 움직임은 가속도 감지부(230)를 이용하여 보정될 수 있다.
상기 가속도 감지부(230)는 3축 가속도 센서일 수 있다. 상기 가속도 감지부(230)는 x,y,z 축 방향의 아날로그 형태의 가속도 신호(X(t))를 출력할 수 있다. 상기 가속도 감지부(230)는 상기 측정 부위의 동적 운동에 관한 정보를 제공할 수 있다. 상기 가속도 감지부(230)는 상기 수광부(220)와 중심축이 일치하도록 배치될 수 있다.
센서부(201)는 상기 발광부들(210a~210d), 상기 수광부(220), 및 상기 가속도 감지부(230)를 포함할 수 있다. 상기 센서부(101)는 일체형으로 패키징될 수 있다.
상기 사전 신호처리부(240)는 제1 사전 신호 처리부(241a) 및 제2 사전 신호 처리부(241b)를 포함할 수 있다.
상기 제1 사전 신호 처리부(241a)는 상기 수광부(220)의 측정 신호(D(t))를 입력받아 처리할 수 있다. 상기 제2 사전 신호 처리부(241b)는 상기 가속도 감지부(230)의 상기 가속도 신호(X(t))를 입력받아 처리할 수 있다. 상기 가속도 감지부(230)는 x축 가속도 신호, y축 가속도 신호, 및 z축 가속도 신호를 출력할 수 있다.
이에 따라, 상기 제2 사전 신호 처리부(241b)는 3 개의 채널을 가지고 3개의 디지털 가속도 신호(x(n))를 출력할 수 있다.
제 1 사전 신호처리부(241a)는 증폭부(242a), 필터부(244a), 및 A/D 변환부(246a) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제 2 사전 신호처리부(241b)는 증폭부(242b), 필터부(244b), 및 A/D 변환부(246b) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 증폭부(242a)는 상기 수광부(220)의 상기 측정 신호(D(t))를 증폭할 수 있다. 상기 필터부(244a)는 사람의 맥박의 주파수 성분을 선택적으로 통과시키는 밴드 패스 필터, 로우 패스 필터, 및 하이 패스 필터 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 필터부(244a)는 수동 소자 또는 능동소자로 구성될 수 있다. 상기 로우 패스 필터의 차단 주파수는 5 Hz 정도일 수 있다. 상기 하이 패스 필터의 차단 주파수는 0.5 Hz 정도일 수 있다. 상기 A/D 변환부(246a)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 측정 신호(d(n))를 출력할 수 있다. 상기 A/D 변환부(246b)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 가속도 신호(x(n))를 출력할 수 있다. 상기 A/D 변환부(246a,246b)의 구동 클럭 주파수는 200 Hz 정도일 수 있다.
신호처리부(250)는 상기 사전 신호 처리부(240)의 디지털 측정 신호(d(n)) 및 디지털 가속도 신호(x(n))를 입력받을 수 있다. 상기 신호처리부(250)는 DSP(Digital Signal Processor) 또는 마이크로 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 신호처리부(250)는 동작음을 제거하기 위하여 적응 필터 알고리즘을 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 심박계의 신호처리부의 적응 필터 구조를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 디지털 측정 신호(d(n))는 맥파 신호(S(n))와 움직임에 관련된 동잡음(n(n))을 포함할 수 있다. 상기 디지털 가속도 신호(x(n))는 상기 동잡음(n(n))과 직접적으로 상관관계를 가질 수 있다. 따라서, 상기 맥파 신호(S(n))는 상기 디지털 측정 신호(d(n))에서 상기 동잡음(n(n))을 제거하여 얻을 수 있다. 따라서, 상기 동잡음의 추정값(y(n))은 디지털 가속도 신호(x(n))를 이용하여 제공될 수 있다. 상기 맥파 신호의 추정값(e(n))은 상기 디지털 측정 신호(d(n))에서 상기 동잡음의 추정값(y(n))을 빼서 구해질 수 있다.
상기 동잡음의 추정값(y(n))은 다음과 같이 가속도 신호(x(n))와 필터 계수(w(n))를 가지는 디지털 필터를 통하여 구해질 수 있다.
상기 필터 계수(w(n))는 상기 디지털 가속도 신호(x(n)) 및 맥파 신호의 추정값(e([0031] n))을 적응 필터(adaptive filter)를 이용하여 최적화될 수 있다. 상기 적응 필터는 최소 평균 자승(least mean square:LMS) 알고리즘을 사용할 수 있다. 맥박 수는 상기 맥파 신호의 추정값(e(n))을 이용하여 시간에 따라 추출될 수 있다.
송신부(260)는 상기 신호처리부(250)의 맥박 수를 유선 또는 무선 통신을 통하여 제공할 수 있다. 수신부(270)는 상기 송신부(260)와 유무선 통신을 통하여 상기 맥박 수를 수신할 수 있다. 상기 수신부(270)의 정보는 서버(280)에 저장될 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
110 센서부 120 입력부
130 저장부 140 제어부
150 구동부 160 컨베이어 벨트
170 디스플레이부

Claims (5)

  1. 사용자의 심박수를 측정하기 위한 센서부;
    사용자로부터 정보를 입력받거나, 트레드밀 장치 구동을 위한 제어 명령을 입력받기 위한 입력부;
    트레드밀 장치 구동을 위한 데이터 및 미리 프로그래밍된 각종 운동모드가 저장되어 있는 저장부;
    컨베이어 벨트를 구동시키기 위한 구동부;
    상기 입력부를 통해 입력된 제어 명령과 상기 저장부에 저장된 운동모드에 따라 트레드밀 장치의 구동을 제어하며, 상기 운동모드 중 운동 후 심박수가 일정 시간 내에 안정시 심박수 수준으로 떨어지는 비율을 의미하는 심박수 회복율 산출 모드가 선택되면, 상기 센서부로부터 측정된 사용자의 심박수를 이용하여 심박수 회복율을 산출하여 표출하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어에 따라 심박수 회복율을 포함하는 각종 정보를 표출하는 디스플레이부를 포함하고,
    상기 제어부는 운동 중 측정된 사용자의 최고 심박수, 사용자의 신체가 완전히 휴식을 취한 상태에서 측정한 가장 낮은 심박수인 안정시 심박수, 운동을 종료하고 일정 시간 후에 측정한 심박수인 회복기 심박수를 측정하고,
    심박수 회복율(%)=((최고 심박수-회복기 심박수)/(최고 심박수-안정시 심박수))*100
    의 수식을 이용하여 심박수 회복율을 산출하고,
    상기 제어부는 상기 운동모드 중 최대 산소 섭취량 산출 모드가 선택되면, 상기 입력부를 통해 입력된 사용자의 체중, 나이 및 성별을 포함하는 기본 정보와 상기 센서부로부터 측정된 사용자의 심박수를 이용하여 최대 산소 섭취량을 산출하여 표출하며,
    상기 제어부는 최대 산소 섭취량 산출 모드에서, 미리 설정된 거리만큼 컨베이어 벨트가 구동되도록 운동 모드를 진행하고, 운동 모드가 종료되면 운동 모드를 진행한 진행 시간을 산출하고, 운동 모드 종료 후 일정 시간 동안 사용자의 평균 심박수를 계산하고, 산출된 진행 시간 및 평균 심박수를 이용하여 최대 산소 섭취량을 산출할 수 있고,
    상기 제어부는 1마일 걷기 테스트 방식을 이용하여 최대 산소 섭취량을 산출할 수 있고, 1마일 걷기 테스트 방식을 반영한 최대 산소 섭취량(VO2max) 산출 수식은,
    VO2max=132.853-(0.1692×W)-(0.3877×age)+(6.315×G)-(3.2649×T)-(0.1569×HR)
    로 나타낼 수 있고,
    여기서, W는 체중(kg), age는 나이, G는 성별(1=male, 0=female), T는 시간, HR은 심박수(heart rate)를 나타내고, 이때 심박수는 운동 종료 후 10초 동안 측정된 심박수의 평균을 사용하며,
    상기 제어부는 상기 입력부를 통해 운동 수행 능력 산출 모드가 선택되고, 사용자의 체중, 나이 및 성별을 포함하는 기본정보를 입력받고, 구동 제어 명령이 입력되면, 상기 구동부를 통해 컨베이어 벨트를 구동시켜서 운동 모드를 진행하고, 운동 모드가 종료되면, 상기 구동부를 통해 컨베이어 벨트의 구동을 중단시키고, 최대 산소 섭취량을 계산하고, 심박수 회복율을 계산하고, 최대 산소 섭취량과 심박수 회복율을 이용하여 운동 수행 능력을 산출하며, 이때 최대 산소 섭취량과 심박수 회복율에 각각 미리 정해진 가중치를 곱하고, 이를 합산하는 방식으로 운동 수행 능력을 산출하고,
    상기 센서부는 사용자의 신체 일부에 착용되는 웨어러블 기기이고,
    상기 웨어러블 기기는 동잡음이 제거된 심박계 구조이고,
    상기 심박계는 서로 이격되어 측정 부위에 광을 조사하는 복수의 발광부들, 상기 발광부들의 중심 영역에 배치되고 상기 발광부들에 의한 상기 측정 부위의 반사광 또는 투과광을 감지하는 수광부, 상기 수광부의 측정 신호(D(t))를 증폭 및 필터링하는 사전 신호처리부, 및 상기 사전 신호처리부의 출력 신호(d(n),x(n))를 이용하여 피측정자의 맥박 수를 추출하는 신호처리부를 포함하고,
    상기 발광부들과 상기 수광부는 복수의 광경로를 제공하고, 상기 수광부는 상기 측정 부위에서 공간적으로 평균된 반사광 또는 투과광을 감지하고,
    상기 심박계는 상기 수광부와 중심축이 일치하도록 배치되며, x,y,z 축 방향의 아날로그 형태의 가속도 신호(X(t))를 출력하기 위한 가속도 감지부를 더 포함하고,
    상기 심박계는 상기 가속도 감지부를 통해 감지한 특정 방향의 움직임에 의해 혈관 내 흐르는 혈류량과 속도변화에 미치는 영향을 보정하고,
    상기 사전 신호처리부는 제1 사전 신호 처리부 및 제2 사전 신호 처리부를 포함하되, 상기 제1 사전 신호 처리부는 상기 수광부의 측정 신호(D(t))를 입력받아 처리할 수 있고, 상기 제2 사전 신호 처리부는 상기 가속도 감지부의 상기 가속도 신호(X(t))를 입력받아 처리할 수 있으며,
    디지털 측정 신호(d(n))는 맥파 신호(S(n))와 움직임에 관련된 동잡음(n(n))을 포함할 수 있고, 디지털 가속도 신호(x(n))는 상기 동잡음(n(n))과 직접적으로 상관관계를 가질 수 있고,
    상기 신호처리부는 최소 평균 자승(least mean square:LMS) 알고리즘이 구현된 적응 필터 구조를 포함하여 이루어질 수 있고, 상기 디지털 측정 신호(d(n))에서 상기 동잡음(n(n))을 제거하여 맥파 신호(S(n))를 얻을 수 있으며, 상기 동잡음의 추정값(y(n))은 디지털 가속도 신호(x(n))를 이용하여 제공될 수 있고, 상기 디지털 측정 신호(d(n))에서 상기 동잡음의 추정값(y(n))을 빼는 방식으로 상기 맥파 신호의 추정값(e(n))을 구할 수 있고, 가속도 신호(x(n))와 필터 계수(w(n))를 가지는 디지털 필터를 통하여 상기 동잡음의 추정값(y(n))을 구할 수 있고, 적응 필터(adaptive filter)를 통해 상기 디지털 가속도 신호(x(n)) 및 맥파 신호의 추정값을 이용하여 상기 필터 계수(w(n))를 최적화할 수 있고, 상기 맥파 신호의 추정값(e(n))을 이용하여 시간에 따라 맥파 신호를 추출할 수 있는 것을 특징으로 하는 트레드밀 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 트레드밀 장치에서의 심박수 회복율 산출 방법에서,
    입력부를 통해 심박수 회복율 산출 모드가 선택되면, 제어부는 사용자의 심박수를 산출하는 단계;
    상기 제어부는 심박수를 이용하여 운동 후 심박수가 일정 시간 내에 안정시 심박수 수준으로 떨어지는 비율을 의미하는 심박수 회복율을 산출하는 단계; 및
    상기 제어부는 산출한 심박수 회복율을 디스플레이부를 통해 표출하는 단계를 포함하고,
    상기 제어부는 운동 중 측정된 사용자의 최고 심박수, 사용자의 신체가 완전히 휴식을 취한 상태에서 측정한 가장 낮은 심박수인 안정시 심박수, 운동을 종료하고 일정 시간 후에 측정한 심박수인 회복기 심박수를 측정하고,
    심박수 회복율(%)=((최고 심박수-회복기 심박수)/(최고 심박수-안정시 심박수))*100
    의 수식을 이용하여 심박수 회복율을 산출하며,
    상기 제어부는 운동모드 중 최대 산소 섭취량 산출 모드가 선택되면, 상기 입력부를 통해 입력된 사용자의 체중, 나이 및 성별을 포함하는 기본 정보와 센서부로부터 측정된 사용자의 심박수를 이용하여 최대 산소 섭취량을 산출하여 표출하며,
    상기 제어부는 최대 산소 섭취량 산출 모드에서, 미리 설정된 거리만큼 컨베이어 벨트가 구동되도록 운동 모드를 진행하고, 운동 모드가 종료되면 운동 모드를 진행한 진행 시간을 산출하고, 운동 모드 종료 후 일정 시간 동안 사용자의 평균 심박수를 계산하고, 산출된 진행 시간 및 평균 심박수를 이용하여 최대 산소 섭취량을 산출할 수 있고,
    상기 제어부는 1마일 걷기 테스트 방식을 이용하여 최대 산소 섭취량을 산출할 수 있고, 1마일 걷기 테스트 방식을 반영한 최대 산소 섭취량(VO2max) 산출 수식은,
    VO2max=132.853-(0.1692×W)-(0.3877×age)+(6.315×G)-(3.2649×T)-(0.1569×HR)
    로 나타낼 수 있고,
    여기서, W는 체중(kg), age는 나이, G는 성별(1=male, 0=female), T는 시간, HR은 심박수(heart rate)를 나타내고, 이때 심박수는 운동 종료 후 10초 동안 측정된 심박수의 평균을 사용하며,
    상기 제어부는 상기 입력부를 통해 운동 수행 능력 산출 모드가 선택되고, 사용자의 체중, 나이 및 성별을 포함하는 기본정보를 입력받고, 구동 제어 명령이 입력되면, 구동부를 통해 컨베이어 벨트를 구동시켜서 운동 모드를 진행하고, 운동 모드가 종료되면, 상기 구동부를 통해 컨베이어 벨트의 구동을 중단시키고, 최대 산소 섭취량을 계산하고, 심박수 회복율을 계산하고, 최대 산소 섭취량과 심박수 회복율을 이용하여 운동 수행 능력을 산출하며, 이때 최대 산소 섭취량과 심박수 회복율에 각각 미리 정해진 가중치를 곱하고, 이를 합산하는 방식으로 운동 수행 능력을 산출하는 것을 특징으로 하는 심박수 회복율 산출 방법.
  5. 삭제
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