KR20160047838A - 생체 신호 처리 방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
생체 신호 처리 방법 및 그 장치를 제공한다. 본 생체 처리 방법은, 피검체의 제1 영역으로부터 피검체의 제2 영역에 있는 심장의 움직임에 의해 발생된 생체 신호를 검출하고, 생체 신호로부터 생체 신호 파형을 생성하며, 생체 신호 파형 및 제1 영역의 방향 중 적어도 하나를 이용하여 제2 영역에 대한 제1 영역의 상대 위치를 결정하며, 상대 위치를 이용하여 생체 신호 파형을 기준 생체 신호 파형으로 변환한다.
Description
본 개시는 생체 신호를 처리하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
혈압은 개인의 건강 상태를 파악하는 하나의 척도로 사용되고 있으며, 혈압을 측정할 수 있는 혈압계는 의료기관 및 가정에서 흔히 사용된다. 커프(cuff) 타입의 혈압계는 동맥혈이 지나는 영역에 혈액의 흐름이 멎도록 커프로 가압한 후 천천히 압력을 줄이면서 수축기 혈압 및 이완기 혈압을 측정한다.
커프 타입의 혈압계는 부피가 크고 휴대하기가 불편하여 실시간으로 개인의 연속적인 혈압의 변화를 모니터링하기에는 부적합하다. 따라서, 최근에는 커프리스(cuffless) 타입으로 혈압을 측정할 수 있는 혈압계에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
커프리스 방식은 맥파 전달 시간 방법(Pulse transit time method:PTT)를 이용한 심전도(Electrocardiography: ECG)와 광전용적맥파(Photoplethysmography: PPG)의 시간 차이에 따른 혈압의 상관관계를 이용한 것과 PPG 단독의 파형을 분석하여 혈압을 추정하는 방식이 있다. PTT 방식은 ECG를 이용하여야 하기 때문에 하나의 밴드를 이용하는 연속형 측정 방식으로 적합하지 않다. 그리고, PPG 단독의 파형을 분석하여 혈압을 추정하는 방법은 손목의 위치와 심장의 위치간의 차이에 따른 파형의 변화가 심하다는 문제점이 있다.
본 개시는 생체 신호를 검출하는 검출 지점과 생체 신호를 발생시키는 소스간의 상대적 위치가 변경되는 경우, 기준 위치의 생체 신호 파형으로 변환시키는 방법 및 그 장치를 제공한다.
본 개시는 생체 신호를 이용하여 피검체의 생체 상태에 대한 정보를 제공하는 방법 및 그 장치를 제공한다.
일 유형에 따르는 생체 신호 처리 방법은, 피검체의 제1 영역으로부터 피검체의 제2 영역에 있는 심장의 움직임에 의해 발생된 생체 신호를 검출하는 단계; 상기 생체 신호로부터 생체 신호 파형을 생성하는 단계; 상기 생체 신호 파형 및 상기 제1 영역의 방향 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제2 영역에 대한 상기 제1 영역의 상대 위치를 결정하는 단계; 및 상기 상대 위치를 이용하여 상기 생체 신호 파형을 기준 생체 신호 파형으로 변환하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 변환하는 단계는, 상기 기준 생체 신호 파형으로 변환시키기 위한 변환 함수가 위치 별로 정의된 메타데이터로부터 상기 상대 위치에 대응하는 변환 함수를 독출하는 단계; 및 독출된 변환 함수를 상기 생체 신호 파형에 적용하여 상기 기준 생체 신호 파형을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 변환 함수는 진폭 부분의 제1 변환 함수와 위상 부분의 제2 변환 함수를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 변환 함수는 서로 다른 위치에서 검출된 생체 신호 파형간의 진폭비로 정의되고, 상기 제2 변환 함수는 서로 다른 위치에서 검출된 생체 신호 파형간의 위상차로 정의될 수 있다.
또한, 상기 산출하는 단계는, 상기 생체 신호 파형을 이산 푸리에 변환하여 진폭 부분과 위상 부분으로 분리하는 단계; 및 상기 진폭 부분에 상기 제1 변환 함수를 적용하고 상기 위상 부분에 상기 제2 변환 함수를 적용한 후 역이산 푸리에 변환하여 상기 기준 생체 신호 파형을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 기준 생체 신호 파형은, 상기 기준 위치에서의 생체 신호 파형일 수 있다.
또한, 상기 기준 위치는, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 높이가 동일한 위치일 수 있다.
그리고, 상기 생체 신호는, PPG일 수 있다.
또한, 상기 제1 영역의 방향은, 제1 영역에 배치된 방향 센서에 의해 검출될 수 있다.
그리고, 상기 방향 센서는, 기울기 센서일 수 있다.
또한, 상기 상대 위치를 결정하는 단계는, 상기 제1 영역의 방향으로부터 하나의 상대 위치가 예상되는 경우, 예상된 상대 위치를 상기 상대 위치로 최종 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 상대 위치를 결정하는 단계는, 상기 제1 영역의 방향으로부터 복수 개의 상대 위치가 예상되는 경우, 상기 생체 신호 파형을 이용하여 예상되는 복수 개의 상대 위치 중 어느 하나를 상기 상대 위치로 최종 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 최종 결정하는 단계는, 상기 생체 신호 파형에서 증대 지수, 최소 수축기 시간 및 반사파 시간 중 적어도 두 개를 포함하는 인자들을 추출하는 단계; 및 추출된 인자들과 참조 생체 신호 파형의 대응하는 인자들을 비교하는 단계;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 영역은, 상기 피검체의 손목일 수 있다.
또한, 상기 기준 생체 신호 파형을 이용하여 상기 피검체의 생체 상태에 대한 정보를 추정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 생체 상태에 대한 정보는, 혈압 정보, 혈관 탄력 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 생체 신호 처리 장치는, 피검체의 제1 영역에 있는 심장의 움직임에 의해 발생된 생체 신호를 상기 피검체의 제2 영역에서 검출하는 제1 센서; 및 상기 생체 신호로부터 생체 신호 파형을 생성하고, 상기 제1 영역에 대한 상기 제2 영역의 상대 위치를 이용하여 상기 생체 신호 파형을 기준 생체 신호 파형으로 변환하는 프로세서;를 포함한다.
그리고, 상기 기준 생체 신호 파형으로 변환시키기 위한 변환 함수를 위치 별로 정의한 메타데이터가 저장된 메모리;를 더 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 메모리로부터 상대 위치에 대응하는 변환 함수를 독출하고, 상기 독출된 변환 함수를 상기 생체 신호 파형에 적용하여 상기 기준 생체 신호 파형을 산출할 수 있다.
그리고, 상기 기준 생체 신호 파형은, 상기 기준 위치에서의 생체 신호 파형일 수 있다.
또한, 상기 제2 영역의 방향을 검출하는 제2 센서;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면 생체 신호를 검출하는 검출 지점과 상기한 생체 신호를 발생시키는 소스간의 상대 위치가 변경되더라도 기준 위치의 생체 신호 파형으로 변환시킴으로써 상대 위치의 변경에 따른 오류를 줄일 수 있다.
상기한 기준 위치의 생체 신호 파형으로부터 피검체의 생체 상태에 대한 정보를 제공할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 손목에 착용되어 생체 신호를 처리하는 웨어러블 장치의 컨셉을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따라 손목시계 타입 또는 손목밴드 타입의 생체 신호 처리 장치가 생체 신호를 검출하기 위한 손목의 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 생체 신호 처리 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 생체 신호 파형을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 심장에 대한 검출 지점의 위치 변화를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5b는 도 5a의 각 검출 지점에서 측정한 생체 신호 파형을 도시한 그래프이다.
도 6a는 일 실시예에 따른 검출 지점의 위치에 따른 최대 수축기 시간(maximum systolic time)과 반사파 시간(reflect wave time)를 나타내는 그래프이다.
도 6b는 일 실시예에 따른 검출 지점의 위치에 따른 증대 지수(augmentation index)를 나타내는 그래프이다.
도 6c는 일 실시예에 따른 검출 지점의 위치에 따른 최대 수축기의 속도를 나타내는 그래프이다.
도 7는 검출 지점의 위치에 따른 혈압을 나타내는 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 1축 방향의 수평 센서를 착용하였을 때, 검출 지점의 위치에 따른 센서의 방향을 나타내는 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 일 실시예에 따른 검출 지점의 상대 위치와 수평 센서의 검출 결과를 설명하는 참조도면이다.
도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 따른 검출 지점에 따른 생체 신호 파형을 변화를 도시한 도면이다.
도 11는 도 3에 도시된 프로세서를 나타내는 블록도이다.
도 12a는 검출 지점에 따른 제1 변환 함수를 나타내는 그래프이다.
도 12b는 검출 지점에 따른 제2 변환 함수를 나타내는 그래프이다.
도 13은 일 실시예에 따른 생체 신호를 처리하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 14는 일 실시예에 따를 생체 신호 파형으로부터 검출 지점의 상대 위치를 결정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 15는 다른 실시예에 검출 지점의 상대 위치를 결정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 16은 다른 일 실시예에 따라 생체 신호 처리 장치가 혈압에 대한 정보를 제공하는 방법을 설명하는 참조도면이다.
도 2는 일 실시예에 따라 손목시계 타입 또는 손목밴드 타입의 생체 신호 처리 장치가 생체 신호를 검출하기 위한 손목의 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 생체 신호 처리 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 생체 신호 파형을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 심장에 대한 검출 지점의 위치 변화를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5b는 도 5a의 각 검출 지점에서 측정한 생체 신호 파형을 도시한 그래프이다.
도 6a는 일 실시예에 따른 검출 지점의 위치에 따른 최대 수축기 시간(maximum systolic time)과 반사파 시간(reflect wave time)를 나타내는 그래프이다.
도 6b는 일 실시예에 따른 검출 지점의 위치에 따른 증대 지수(augmentation index)를 나타내는 그래프이다.
도 6c는 일 실시예에 따른 검출 지점의 위치에 따른 최대 수축기의 속도를 나타내는 그래프이다.
도 7는 검출 지점의 위치에 따른 혈압을 나타내는 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 1축 방향의 수평 센서를 착용하였을 때, 검출 지점의 위치에 따른 센서의 방향을 나타내는 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 일 실시예에 따른 검출 지점의 상대 위치와 수평 센서의 검출 결과를 설명하는 참조도면이다.
도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 따른 검출 지점에 따른 생체 신호 파형을 변화를 도시한 도면이다.
도 11는 도 3에 도시된 프로세서를 나타내는 블록도이다.
도 12a는 검출 지점에 따른 제1 변환 함수를 나타내는 그래프이다.
도 12b는 검출 지점에 따른 제2 변환 함수를 나타내는 그래프이다.
도 13은 일 실시예에 따른 생체 신호를 처리하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 14는 일 실시예에 따를 생체 신호 파형으로부터 검출 지점의 상대 위치를 결정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 15는 다른 실시예에 검출 지점의 상대 위치를 결정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 16은 다른 일 실시예에 따라 생체 신호 처리 장치가 혈압에 대한 정보를 제공하는 방법을 설명하는 참조도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 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 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 “구성된다” 또는 “포함한다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 도는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 “제 1” 또는 “제 2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용할 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 발명을 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예는 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 명세서에서 "피검체"는 생체 상태를 측정하고자 하는 대상으로서, 사람 동물 등이다. ?냉?는 피검체의 일부로서 움직임에 의해 생체 신호를 발생시키는 소스이다. 예를 들어, 개체는 심장일 수 있다. "생체 신호"는 피검체에서 발생되는 고유한 신호로서, 예를 들면 심전도(Electrocardiogram, ECG), 발리스토카르디오그램(ballistocardiogram, BCG), 광혈류 측정 신호(Photoplethysmograph, PPG), 뇌파(brain wave), 근전도(electromyogram) 등이 이에 속할 수 있다. 또한, "사용자"는 생체 신호를 측정하고자 하는 대상, 즉 피검체일 수도 있지만, 의료 전문가 등 생체 신호 처리 장치를 이용할 수 있는 사람으로서, 피검체보다 넓은 개념일 수 있다.
일 실시예에 따른 생체 신호 처리 장치는 피검체가 휴대할 수 있는 장치, 예를 들어, 웨어러블 장치일 수 있다. 신호 처리 장치는 통신 기능 및 데이터 프로세싱 기능을 구비한 손목시계 타입, 팔찌 타입, 반지 타입 또는 헤어밴드 타입 등의 장치를 포함할 수 있다. 다만, 본 실시예들에서 신호 처리 장치는 손목시계 타입 또는 손목밴드 타입의 장치인 것으로 가정하여 설명하도록 하나, 본 실시예들은 이에 제한되지 않는다.
또한, 생체 신호 처리 장치는 하나의 하우징으로 구현될 수도 있고, 복수 개의 하우징으로 구현될 수도 있다. 생체 신호 처리 장치가 복수 개의 하우징으로 구현되는 경우, 복수 개의 구성 요소들은 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 피검체의 손목 등에 착용되어 생체 신호를 검출하는 센서를 포함하는 제1 장치와 상기한 생체 신호를 처리하는 제2 장치로 구분될 수도 있다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 손목에 착용되어 생체 신호를 처리하는 웨어러블 장치의 컨셉을 설명하기 위한 도면이다. 도 1a를 참조하면, 생체 신호 처리 장치(10)는 피검체의 손목에 착용된 상태에서 손목을 통해 생체 신호를 검출하는 센서(312)를 포함할 수 있다. 또한, 생체 신호 처리 장치(10)에는 생체 신호를 처리하는 프로세서(미도시)가 내장되어 있을 수 있다. 내장된 프로세서는 센서(312)로부터 수신된 생체 신호로부터 생체 신호 파형을 생성하고, 상기한 생체 신호 파형을 이용하여 피검체의 생체 상태에 대한 정보(예를 들어, 혈압 정보, 혈관 정보 등)를 제공할 수 있다.
도 1b를 참고하면, 피검체는 손목에 착용된 생체 신호 처리 장치(10)의 표시부(330)에 표시된 화면을 통해, 프로세서에서 생성된 생체 상태에 대한 정보를 제공받을 수 있다. 혈압에 대한 정보는 예를 들어, 피검체의 최저 혈압(minimum blood pressure) 및 최대 혈압(maximum blood pressure)에 대한 수치 정보, 피검체의 수축기 혈압(systolic blood pressure) 및 이완기 혈압(diastolic blood pressure)에 대한 수치 정보, 또는 현재 혈압 상태가 정상인지 비정상인지에 대한 정보, 혈관 탄력 정보 등을 포함할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따라 손목시계 타입 또는 손목밴드 타입의 생체 신호 처리 장치(10)가 생체 신호를 검출하기 위한 손목의 영역을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 생체 신호 처리 장치(10)는 요골동맥(200)과 가까운 피부 표면에서 접촉식 또는 비접촉식으로 광을 조사함으로써 생체 신호를 검출할 수 있다. 여기서 생체 신호는 PPG(Photoplethysmograph) 일 수 있다.
예를 들어, 생체 신호 처리 장치(10)는 동맥 혈압을 측정하기 위하여, 요골동맥(200)을 대상으로 광을 조사함으로써 PPG를 검출할 수 있다. 요골동맥(200)이 지나가는 손목의 피부 표면에서 PPG를 검출하는 경우, 손목 내부의 피부 조직의 두께 등과 같은 검출 오차를 발생시키는 외부적 요인들의 영향을 가장 적게 받을 수 있다. 또한, 요골동맥(200)은 손목 내의 다른 종류의 혈관들보다 정확한 PPG 신호를 검출할 수 있는 혈관에 해당되는 것으로 알려져 있다.
따라서, 생체 신호를 검출하는 센서(312)는, 피검체가 생체 신호 처리 장치(10)를 착용하였을 때 요골동맥(200)을 향해 광을 조사할 수 있는 위치에서 생체 신호 처리 장치(10)에 내장될 수 있다. 다만, 생체 신호 처리 장치(10)는, 이에 제한되지 않고, 요골동맥(200) 외에도 손목의 다른 영역의 혈관들을 이용하여 PPG 신호를 검출할 수 있다. 도 2에서는 광-전기 변환 방식으로 생체 신호를 검출하는 방법을 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 압력-전기 변환 방식, 기계식, 자기식 등으로 생체 신호를 검출할 수도 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 생체 신호 처리 장치(10)를 나타내는 블록도이다. 도 3을 참조하면, 생체 신호 처리 장치(10)는 피검체의 생체 신호 및 생체 신호가 검출되는 지점(이하 '검출 지점'이라고 한다)의 위치 중 적어도 하나를 검출하는 센서(310), 센서(310)로부터 수신된 생체 신호 및 위치 중 적어도 하나를 이용하여 생체 신호를 처리하고, 피검체의 생체 상태에 대한 정보를 추정하는 프로세서(320), 피검체의 생체 상태에 대한 정보를 표시하는 표시부(330), 데이터가 저장된 메모리(340) 및 사용자의 입력을 수신하는 사용자 인터페이스(350)를 포함할 수 있다.
생체 신호 처리 장치(10)는 피검체가 휴대할 수 있는 장치, 예를 들어, 웨어러블 장치일 수 있다. 상기한 생체 신호 처리 장치(10)는 예를 들어, 피검체의 손목, 가슴, 발목 등에 착용될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 센서(310)는 피검체의 손목 등에 착용될 수 있는 제1 장치로 구현되고, 프로세서(320), 표시부(330), 메모리(340) 및 사용자 인터페이스(350)는 별도의 제2 장치(예를 들어, 휴대 단말기)로 구현될 수 있다.
센서(310)는 피검체의 생체 신호를 검출하는 제1 센서(312)와 검출 지점의 위치 즉, 제1 센서(312)가 배치된 지점의 위치를 검출하는 제2 센서(314)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 센서(312, 314)는 하나의 장치로 구현될 수 있다. 그리하여, 제2 센서(314)가 제1 센서(312)의 위치를 용이하게 검출할 수 있다.
제1 센서(312)는 ECG(ELECTROCARDIOGRAPHY), GSR(GALVANIC SKIN REFLEX), PPG 및 맥파(pulse wave) 등과 같은 피검체의 생체 신호를 검출하는 센서이다. 제1 센서(312)는 피검체에 광을 조사하여 반사된 신호로 생체 신호를 검출할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 제1 센서(312)는 피검체에 전기적 신호, 자기적 신호 또는 압력 등을 이용하여 생체 신호를 검출할 수도 있다.
제2 센서(314)는 생체 신호가 검출되는 지점(검출 지점)의 위치 즉, 제1 센서(312)의 위치를 검출하는 센서이다. 제2 센서(314)는 가속도 센서(acceleration sensor), 자이로 센서(gyro sensor), 지자기 센서(terrestrial magnetic sensor), 수평 센서 등 방향을 검출하는 센서일 수 있다.
또한, 상기한 제2 센서(314)는 피검체의 움직임을 검출하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 소정 시간, 예를 들어, 10초 이내에 검출 지점의 위치가 변경되면 생체 신호 처리 장치(10)는 피검체가 움직이고 있다고 판단할 수 있다.
프로세서(320)는 상기한 생체 신호로부터 생체 신호 파형을 생성할 수 있다. 상기한 생체 신호 파형은 시간에 따른 함수일 수 있다. 뿐만 아니라, 프로세서(320)는 제2 센서(314)로부터 수신된 위치를 이용하여 상기한 생체 신호 파형을 보정할 수 있다. 예를 들어, 생체 신호는 심장의 움직임에 따른 PPG일 수 있다.
일반적으로, 생체 신호를 발생시키는 개체, 예를 들어, 심장은 피검체의 가운데 영역에 배치될 수 있다. 그리고, 상기한 생체 신호를 검출하는 위치, 즉, 제1 센서(312)의 위치는 심장과 이격된 영역, 예를 들어, 손목, 발목 등일 수 있다. 생체 신호를 발생시키는 개체와 생체 신호의 검출 지점이 서로 이격되어 있기 때문에 개체와 검출 지점의 상대적인 위치 변화에 따라 생체 신호가 다르게 검출될 수 있다. 이러한 위치 변화는 생체 신호에 노이즈로 작용하기 때문에 고정된 위치에서 생체 신호를 검출할 필요가 있다. 또는 고정된 위치로 생체 신호를 변환시킬 필요가 있다.
프로세서(320)는 검출 지점의 위치를 이용하여 생체 신호 파형을 기준 위치의 생체 신호 파형(이하 '기준 생체 신호 파형'이라고 한다)으로 변환할 수 있다. 그리고, 프로세서(320)는 기준 생체 신호 파형으로부터 피검체의 생체 상태에 대한 정보, 예를 들어, 혈압, 혈관 탄력도에 대한 정보를 추정할 수 있다.
프로세서(320)는 생체 신호 처리 장치(10)의 전반적인 기능 및 동작을 제어하는 하드웨어일 수 있다. 프로세서(320)는 하나의 마이크로프로세서 모듈의 형태로 구현되거나, 또는 둘 이상의 마이크로프로세서 모듈들이 조합된 형태로 구현될 수도 있다. 즉, 프로세서(320)의 구현 형태는 어느 하나에 의해 제한되지 않는다.
표시부(330)는 프로세서(320)에서 추정한 피검체의 생체 상태에 대한 정보를 표시할 수 있다. 예를 들어, 표시부(330)는 생체 신호 처리 장치(10)에 마련된 디스플레이 패널, LCD 화면, LED 화면 등의 출력 모듈을 포함할 수 있다. 다만, 본 실시예에 따른 생체 신호 처리 장치(10)는 표시부(330)를 구비하지 않고, 프로세서(320)에서 처리된 생체 신호를 외부의 표시 장치(미도시)로 출력할 수 있음은 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있다.
메모리(340)는 생체 신호 처리 장치(10)의 동작에 필요한 데이터가 저장될 수 있다. 일 실시예에 따른 메모리(340)는 통상적인 저장매체로서 본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 메모리(340)는 하드디스크드라이브(Hard Disk Drive, HDD), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 플래쉬메모리 (Flash Memory) 및 메모리카드(Memory Card)를 모두 포함함을 알 수 있다.
상기한 메모리(340)에는 생체 신호 파형을 기준 생체 신호 파형으로 변환하기 위한 변환 함수가 저장되어 있을 수 있다. 메모리(340)에는 변환 함수가 위치 별로 정의된 메타데이터로 저장되어 있을 수 있다. 그리하여, 프로세서(320)는 검출 지점의 위치에 대응하는 변환 함수를 메모리(340)로부터 독출하고, 독출된 변환 함수를 이용하여 생체 신호 파형을 기준 생체 신호 파형으로 변환시킬 수 있다.
사용자 인터페이스(350)는 피검체로부터 생체 신호 처리 장치(10)를 조작하기 위한 입력을 수신할 수도 있고, 프로세서(320)가 처리한 생체 상태에 대한 정보를 출력할 수도 있다. 사용자 인터페이스(350)는 피검체가 직접 생체 신호 처리 장치(10)를 조작하기 위한 버튼, 키 패드, 스위치, 다이얼 또는 터치 인터페이스를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(350)는 영상을 디스플레이하기 위한 표시부(330)를 포함할 수 있으며, 터치스크린으로 구현될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 사용자 인터페이스(350)는 HID(Human Interface Device) 들을 연결하기 위한 I/O 포트를 구비할 수 있다. 사용자 인터페이스(350)는 영상의 입/출력을 위한 I/O 포트를 구비할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 생체 신호 파형을 나타내는 그래프이다. 도 4에는 생세 신호 파형으로서, PPG가 도시되어 있다. 생체 신호 파형은 심장의 움직임에 따른 혈액과 혈관과의 관계 등을 정의할 수 있는 복수 개의 인자(factor)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 파형의 형성기전 좌심실이 수축하면서 좌심실내 압력이 상승하면 대동맥판이 개방되면서 좌심실의 혈액이 대동맥 궁으로부터 탈출하기 시작하는 지점을 제1 인자(S)라고 정의할 수 있다. 그 후 좌심실로부터 대동맥 궁으로 혈액이 빠른 속도로 유입되면서 혈관 내 압력과 용적이 최대에 이르는 지점을 제2 인자(P)라고 정의할 수 있다. 제2 인자(P)의 압력은 죄심실의 혈액을 내뿜는 능력과 대동맥의 탄성도를 나타낼 수 있다.
혈액의 탈출량은 감소함으로써 압력과 용적이 감소하는데, 어느 지점에서 잠시 감소의 속도가 늦춰진다. 이 지점을 제3 인자(T)라고 정의할 수 있다. 제3 인자(T)의 생성 원인은 이전에 생성되었던 파의 성분이 말초 분지에서 다시 반사되어 되돌아옴으로써 압력과 용적에 영향을 주기 때문이다. 제3 인자(T)의 압력과 시간은 혈관의 탄성도를 정의하는데 이용될 수 있다.
그리고, 제4 인자(C)는 좌심실내 압력이 대동맥 궁으로 혈액을 탈출시키기 위한 압력보다 충분히 낮아지는 지점이다. 그리고, 상기한 제4 인자(C)는 대동맥간막이 폐쇄되는 지점이며, 우심방이 수축하고 좌심실은 이완되는 지점이다. 제4 인자(C)의 압력은 후부하와 관계가 있어 혈관의 말초 저항이 증가하면 제4 인자(C)의 압력도 커진다. 대동맥 판이 폐쇄된 이후 동맥 내 압력 및 용적이 근소하게 상승하는 지점이 제5 인자(D)가 될 수 있다. 제5 인자(D점)와 제4 인자(C점)의 차이가 감소하거나 0에 가까우면 대동맥판 개폐 기능의 이상을 나타낼 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이, 인자들의 시간, 인자들간의 시간 간격, 인자들의 압력 또는 압력 차 등은 피검체의 혈압, 혈관 탄성도, 대동맥판, 또는 정맥판의 개폐 기능에 대한 이상 여부 등의 생체 상태에 대한 정보를 결정하는 요인이 될 수 있다.
한편, 피검체의 움직임으로 인해 심장과 검출 지점간의 상대 위치, 즉, 심장과 제1 센서(312)가 배치된 지점간의 상대 위치, 예를 들어, 심장과 팔목간의 위치가 변경될 수 있다. 심장과 검출 지점(예를 들어, 팔목)간의 높이차는 중력에 따른 혈압 변화를 발생시킨다. 또한, 중력에 따른 반사파의 도달 시간이 변할 수 있다. 그리하여, 생체 신호 파형이 심장과 검출 지점간의 상대 위치에 따라 변할 수 있다.
도 5a는 심장에 대한 검출 지점의 위치 변화를 예시적으로 도시한 도면이고, 도 5b는 도 5a의 각 검출 지점에서 측정한 생체 신호 파형을 도시한 그래프이다. 측정된 생체 신호 파형은 PPG 파형이다. 설명의 편의를 도모하기 위해 검출 지점은 피검체의 손목으로 한다. 즉, 제1 센서(312)는 피검체의 손목에 착용할 수 있다.
그리고, 심장과 검출 지점이 동일한 높이에 있을 때의 검출 지점의 위치를 기준 위치라고 한다. 피검체는 기준 위치를 기준으로 팔을 시계 방향으로 회전할 수도 있고, 반시계 방향으로 회전할 수도 있다. 피검체가 팔을 기준 위치에서 시계 방향으로 회전하면 제1 센서(312)의 위치는 기준 위치보다 낮아진다. 피검체가 팔을 기준 위치에서 반시계 방향으로 회전하면 제1 센서(312)의 위치는 기준 위치보다 높아진다.
심장에서 기준 위치간의 거리를 기준선(R)이라고 하고, 심장과 제1 센서(312)간의 거리를 측정선(M)이라고 할 때, 기준선(R)과 측정선(M)간의 각을 사이각(θ)이라고 한다. 팔이 시계 방향으로 회전하면 사이각(θ)은 음의 값이 되고 팔이 반시계 방향으로 회전하면 사이각(θ)은 양의 값이 된다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 사이각(θ)이 -90도, -45도, 0도, 45도 및 90도일 때, 생체 신호 파형은 각각 달라질 수 있다. 생체 신호 파형을 살펴보면, 동일 지점을 기준으로 사이각 (θ)이 양의 값일 때의 생체 신호 파형의 크기는 기준 위치의 생체 신호 파형(기준 생체 신호 파형)의 크기보다 크다. 그리고, 동일 지점을 기준으로 사이각이 음의 값이 될 때의 생체 신호 파형의 크기는 기준 생체 신호 파형의 크기보다 작다. 이는 심장과 검출 지점간의 높이 차이에 따른 중력의 영향 때문이다.
검출 지점의 위치에 따라 생체 신호 파형의 크기뿐만 아니라, 생체 신호 파형의 인자들의 시간, 시간 간격, 크기 등도 변경될 수 있다. 도 6a는 검출 지점의 위치에 따른 최대 수축기 시간(maximum systolic time)과 반사파 시간(reflect wave time)를 나타내는 그래프이다. 최대 수축기 시간(maximum systolic time)은 도 4에서 제1 인자(S)와 제2 인자(P)간의 시간 간격(T1)이고, 반사파 시간(reflect wave time)은 도 4에서 제1 인자(S)와 제3 인자(T)간의 시간 간격(T2)을 의미한다. 검출 지점의 위치에 따라 수축기 시간(maximum systolic time)과 반사파 시간(reflect wave time)이 변경됨을 알 수 있다.
도 6b는 검출 지점의 위치에 따른 증대 지수(augmentation index)를 나타내는 그래프이다. 증대 지수(augmentation index: AI)는 제2 인자(P)의 크기(P1)에 대한 제3 인자(P)의 크기(P2)에 100을 곱한 값으로, 검출 지점의 위치에 따라 증대 지수(augmentation index)가 달라짐을 알 수 있다.
도 6c는 검출 지점의 위치에 따른 최대 수축기의 속도를 나타내는 그래프이다. 수축기의 속도는 제1 인자(S)와 제2 인자(P)의 시간 간격(T1)에 대한 제1 인자(S)와 제2 인자(P)간의 크기를 나타내며, 검출 지점의 위치에 따라 수축기의 속도도 달라짐을 알 수 있다. 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 검출 지점의 위치에 따라 생체 신호 파형의 인자들도 변경됨을 알 수 있다.
검출 지점의 위치에 따라 생체 신호 파형이 변경되기 때문에 생체 신호 파형으로부터 추정되는 생체 상태에 대한 정보도 변경될 수 있다. 도 7는 검출 지점의 위치에 따른 혈압을 나타내는 그래프이다. 수축기 혈압(Systolic Blood Pressure:SBP)은 심장이 수축해서 혈액이 동맥으로 밀려나갔을 때의 혈압이고, 이완기 혈압(Diastolic Blood Pressure:DBP)은 심실이 확장하여 혈액이 밀려나가지 않을 때의 혈압이다. 또한, 맥압(Pluse Pressure: PP)는 수축기 혈압과 이완기 혈압의 차이를 의미한다. 맥압은 검출 지점의 위치에 따라 변하지 않는다 하더라도, 수축기 혈압과 이완기 혈압은 검출 지점의 위치에 따라 변함을 알 수 있다.
이와 같이, 검출 지점의 위치에 따라 생체 신호 파형이 변경되기 때문에 검출 지점의 위치에 상관없는 생체 신호 파형을 생성할 필요가 있다. 일 실시예에 따른 생체 신호 처리 장치(10)는 검출 지점 즉, 제1 센서(312)의 위치를 검출하는 제2 센서(314)를 포함할 수 있다. 피검체는 팔을 편 상태를 유지하는 것이 일반적이므로, 제2 센서(314)는 심장과 팔간의 상대 위치를 방향으로 검출하는 방향 센서일 수 있다. 예를 들어, 제2 센서(314)는 1축 수평 센서일 수 있다. 예를 들어, 센서의 기울기 값에 따라 출력 전압이 변하는 기울기 센서일 수 있다. 상기한 수평 센서의 축을 팔의 축과 나란하게 배치되도록 피검체는 생체 신호 처리 장치(10)를 착용할 수 있다 그리하여, 기울기 센서가 측정한 기울기 값을 이용하여 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 1축 방향의 수평 센서(314a)를 착용하였을 때, 검출 지점의 위치에 따른 센서(314a)의 방향을 나타내는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 피검체의 손목에 착용된 수평 센서(314a)의 축이 피검체의 손을 가리킬 때, 검출 지점의 위치에 따라 수평 센서(314a)의 일 축 방향이 일대일로 변경된다.
예를 들어, 수평 센서(314a)가 기울기 센서이고, 기울기 센서의 0도가 기준선과 일치하게 설정되어 있다면, 기울기 센서가 측정한 기울기 값으로 측정선과 기준선의 사이각을 검출할 수 있다. 즉 기술기 센서의 기울기 값이 측정선과 기준선간의 사이각이 될 수 있다. 따라서, 제2 센서의 결과를 이용하여 심장과 검출 지점 간의 상대 위치를 결정할 수 있고, 상기한 상대 위치와 변환 함수를 이용하여 생체 신호 파형을 기준 위치의 생체 신호 파형으로 변환할 수 있다. 변환 함수에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 피검체는 팔을 접을 수도 있다. 검출 지점의 상대 위치는 수평 센서(314a)의 검출 결과과 일대응 대응되지 않을 수 있다. 도 9a 내지 도 9c는 일 실시예에 따른 검출 지점의 상대 위치와 수평 센서의 검출 결과를 설명하는 참조도면이다. 도 9a에서 도시된 바와 같이, 기준선(R)과 측정선(M)의 사이각이 0도가 되도록 피검체가 팔을 편 자세를 취하면 수평 센서(314a)의 검출 결과는 0도일 수 있다. 그리고, 도 9b에서 도시된 바와 같이, 기준선(R)과 측정선(M)의 사이각이 0도가 되도록 피검체가 팔을 굽힌 자세를 취할 수 있다. 그러면 수평 센서(314a)의 검출 결과는 +45도일 수 있다. 또한, 도 9c에서 도시된 바와 같이, 기준선(R)과 측정선(M)의 사이각이 +45도가 되도록 피검체가 팔을 편 자세를 취할 수 있다. 그러면 수평 센서(314a)의 검출 결과는 +45도일 수 있다.
도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 검출 지점의 상대 위치가 동일함에도 불구하고, 수평 센서(314a)로부터 검출된 결과는 다를 수 있다. 또한 도 9b 및 도 9c에 도시된 바와 같이, 검출 지점의 상대 위치가 다름에도 불구하고, 수평 센서(314a)로부터 검출된 결과는 같을 수 있다.
상기와 같은 경우, 수평 센서(314a)의 검출 결과만으로 검출 지점의 위치를 결정할 수 없다. 그리하여, 일 실시예에 따른 생체 신호 처리 장치는 생체 신호 파형을 이용하여 검출 지점의 위치를 결정할 수도 있다.
도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 따른 검출 지점에 따른 생체 신호 파형을 변화를 도시한 도면이다. 도 10a에서는 검출 지점의 각도가 0도일 때의 생체 신호 파형과 검출 지점의 각도가 +90도인 경우의 생체 신호 파형을 비교하였다. +90도의 생체 신호 파형은 0도의 생체 신호 파형과 주기는 같다 하더라도 증대 지수(AI)가 높아지고, 최대 수축기 시간(T1)이 길어진 반면, 반사파 시간(T2)가 짧아짐을 알 수 있다.
도 10b에서는 검출 지점의 각도가 0도일 때의 생체 신호 파형과 검출 지점의 각도가 -90도인 경우의 생체 신호 파형을 비교하였다. -90도의 생체 신호 파형은 0도의 생체 신호 파형과 주기가 같다 하더라도 증대 지수(AI)가 낮아지고, 최대 수축기 시간(T1)이 짧아진 반면, 반사파 시간(T2)가 길어짐을 알 수 있다. 이는 생체 신호 파형을 중력의 영향을 받기 때문이다.
하지만, 피검체의 약물 섭취나 움직임 등의 생리적 변화가 발생하면 생체 신호 파형의 주기 등도 함께 변하며, 앞서 기술한 검출 지점의 위치 변화에 따른 인자들의 변화와 다른 형태로 변한다. 예를 들어, 주기도 달라지고, 최대 수축기 시간(T1) 및 반사파 시간(T2)이 동시에 짧아지거나 동시에 길어질 수 있다.
따라서, 생체 신호 파형이 주기는 동일하면서 증대 지수(AI)가 높아지고 최대 수축기 시간(T1)이 길어진 반면 반사파 시간(T2)가 짧아지면 생체 신호 처리 장치는 검출 지점이 기준선 위로 변경되었다고 결정할 수 할 수 있다. 생체 신호 파형이 주기는 동일하면서 증대 지수(AI)가 낮아지고 최대 수축기 시간(T1)이 짧아진 반면 반사파 시간(T2)가 길어지면 검출 지점이 기준선 아래로 변경되었다고 결정할 수 있다. 검출 지점의 변경 정도는 증대 지수(P), 최대 수축기 시간(T1), 반사파 시간(T2)의 변화량으로 보다 정확히 결정할 수 있다.
도 11는 도 3에 도시된 프로세서(320)를 나타내는 블록도이다. 도 11를 참조하면, 프로세서(320)는 제1 센서(312)로부터 수신된 생체 신호를 이용하여 생체 신호 파형을 생성하는 생성부(1110), 검출 지점의 위치 즉, 제1 센서(312)의 위치를 결정하는 결정부(1120), 생체 신호 파형을 기준 생체 신호 파형으로 변환시키는 변환부(1130) 및 기준 생체 신호 파형으로부터 피검체의 생체 상태에 대한 정보를 추정하는 추정부(1140)를 포함할 수 있다.
생성부(1110)는 제1 센서(312)로부터 생체 신호를 수신하고 시간에 따른 생체 신호 파형을 생성할 수 있다. 생체 신호 파형을 생성할 때, 생성부(1110)는 수신된 생체 신호, 예를 들어, PPG를 증폭시키고, 파이어 밴드패스 필터(Fir Bandpass Filter)를 이용하여 증폭된 PPG를 필터링할 수 있다. 그리고, 필터링된 PPG에서 인자들을 검출하고, 검출된 인자들을 적응적 필터링하여 생체 신호 파형을 생성할 수 있다. 생체 신호, 특히 심장에 의한 생체 신호는 일반적으로 주기적인 파형을 가질 수 있으므로 생체 신호 파형은 주기 신호가 반복되는 파형일 수 있다.
결정부(1120)는 생체 신호를 발생시키는 심장의 위치에 대한 상기한 생체 신호를 검출하는 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제2 센서(314)가 방향 센서인 경우, 결정부(1120)는 검출된 방향을 이용하여 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다. 도 7를 참조하면, 제2 센서(314a)로부터 수신된 결과가 -90도이면, 결정부(1120)는 검출 지점의 상대 위치가 기준선으로부터 -90도에 있다고 결정할 수 있다.
뿐만 아니라, 결정부(1120)는 생체 신호 파형을 이용하여 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수도 있다. 예를 들어, 메모리(340)에는 각 위치의 변화 정도에 따른 대한 생체 신호 파형의 인자들의 변화량에 대한 정보가 저장되어 있을 수 있다. 결정부(1120)는 생체 신호 파형에서 적어도 두 개의 인자를 추출하고, 그 인자 값에 대응하는 위치 정보를 추출함으로써 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다. 앞서, 기술한 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 검출 지점의 상대 위치에 따라 생체 신호 파형의 인자 값이 다름을 이용하는 것이다.
또는, 결정부(1120)는 제2 센서(314)로부터 수신된 결과와 생체 신호 파형의 변화를 이용하여 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다. 제2 센서의 검출 결과가 변경되었다 하더라도 생체 신호 파형의 주기, 증대 지수(AI), 최대 수축기 시간(T1) 및 반사파 시간(T2)이 동일하면, 결정부(1120)는 검출 지점의 위치가 변경되지 않았다고 결정할 수 있다. 그러나, 제2 센서의 검출 결과가 변경되지 않았다 하더라도 생체 신호 파형의 주기가 동일하면서 증대 지수(AI), 최대 수축기 시간(T1) 및 반사파 시간(T2)이 변경되면 결정부(1120)는 증대 지수(AI), 최대 수축기 시간(T1) 및 반사파 시간(T2)의 변경율에 기초하여 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다.
변환부(1130)는 결정부(1120)에서 결정된 위치를 이용하여 생성부(1110)에서 생성된 생체 신호 파형을 기준 생체 신호 파형으로 변환할 수 있다. 상기한 생체 신호 파형을 변환하기 위해 변환 함수를 이용할 수 있다. 변환 함수는 검출 지점의 생체 신호 파형을 기준 생체 신호 파형으로 변환하기 위한 관계를 정의하는 함수로서, 변환 함수는 위치별로 정의된 메타데이터로 메모리(340)에 기저장되어 있을 수 있다.
상기한 변환 함수는 개인별로 모델링되어 있을 수도 있고, 개인에 상관없이 일반화되어 있을 수도 있다. 또는, 일반화된 변환 함수가 메모리(340)에 저장되어 있다가 각 개인이 생체 신호 처리 장치(10)를 이용함에 따라 일반화된 변환 함수가 개인에 맞게 보정될 수도 있다.
일 실시예에 따른 생체 신호 처리 장치(10)는 상기한 변환 함수를 이용할 뿐이며, 변환 함수를 산출하는 것은 아니기 때문에 변환 함수의 모델링 방법에 대하여 이하 간략히 설명한다. 변환 함수의 모델링 방법은 일 실시예에 따른 생체 신호 처리 장치(10)가 수행할 수도 있지만, 외부 장치가 수행하여 그 결과가 생체 신호 처리 장치(10)에 저장될 수 있다. 그리하여, 이하 변환 함수를 모델링하는 장치를 모델링 장치라고 한다. 먼저, 모델링 장치에도 검출 위치별로 생체 신호 파형이 저장될 수 있다.
예를 들어, -90도, -45도, 0도, 45도 및 90도 각각에 대응하는 생체 신호 파형이 저장될 수 있다. 모델링 장치는 -90도, -45도, 45도 및 90도에 대응하는 생체 신호 파형 각각과 0도에 대응하는 생체 신호 파형간의 변환 함수를 산출할 수 있다. 설명의 편의를 도모하기 위해 -90도, -45도, 45도 및 90도 등 0이 아닌 임의 각도(a)(이하 '후보 각도'라고도 한다.)에 대응하는 생체 신호 파형을 후보 파형이라고 하고, 0도(이하 '목표 각도'라고도 한다.)에 대응하는 생체 신호 파형을 목표 파형이라고 칭한다.
모델링 장치는 후보 파형을 주파수별 이산 푸리에 변환하여 진폭 부분(Ma(f))과 위상 부분(Pa(f))으로 나눌 수 있다. 여기서, f는 생체 신호 파형을 생성하는 장치의 동작 주파수이다. 또한, 모델링 장치는 목표 파형도 주파수별 이산 푸리에 변환을 하여 진폭 부분(M0(f))과 위상 부분(P0(f))으로 나눌 수 있다.
그리고, 모델링 장치는 진폭 부분의 제1 변환 함수를 진폭비로 정의하고, 위상 부분의 제2 변환 함수를 위상차로 정의함으로써 변환 함수를 정의할 수 있다. 예를 들어, 모델링 장치는 이산 푸리에 변환된 목표 파형의 진폭 부분(M0)에 대한 이산 푸리에 변환된 후보 파형의 진폭 부분의 진폭비로 제1 변환 함수(TMa)를 정의하고, 이산 푸리에 변환된 목표 파형의 위상 부분(P0)에 대한 이산 푸리에 변환된 후보 파형의 위상 부분(Pa) 의 위상차로 제2 변환 함수(TPa)를 하기 수학식 1과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 1]
TMa(f)=Ma(f)/M0(f)
TPa(f)=Pa(f)-P0(f)
도 12a는 검출 지점에 따른 제1 변환 함수를 나타내는 그래프이고, 도 12b는 검출 지점에 따른 제2 변환 함수를 나타내는 그래프이다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 주파수 별로 검출 지점의 상대 위치에 따른 제1 변환 함수와 검출 지점의 상대 위치에 따른 제2 변환 함수가 산출될 수 있다.
따라서, 변환부(1130)는 검출 지점의 상대 위치 및 변환 함수를 이용하여 생성된 생체 신호 파형을 기준 생체 신호 파형(예를 들어, 검출 지점이 0도일 때의 생체 신호 파형)으로 변환시킬 수 있다. 구체적으로, 변환부(1130)는 생성부(1110)에서 인가된 생체 신호 파형을 이산 푸리에 변환하여 진폭 부분(Mθ(f))과 위상 부분(Pθ(f))으로 나눌 수 있다.
그리고, 변환부(1130)는 메모리(340)로부터 결정부(1120)에 결정된 검출 지점의 상대 위치에 대응하는 변환 함수, 즉 제1 변환 함수와 제2 변환 함수를 독출할 수 있다. 그리고, 하기 수학식 2와 같이, 변환부(1130)는 진폭 부분(Mθ)에 제1 변환 함수(TMa)를 적용하고 위상 부분(Pθ)에 제2 변환 함수(TPa)를 적용하여 변환된 진폭 부분(M'0(f))과 변환된 위상 부분(P'0(f))을 획득할 수 있다.
[수학식 2]
M'0(f)=Mθ(f)/TMθ(f)
P'0(f)=Pθ(f)-TPθ(f)
여기서, TMθ(f)는 후보 각도가 θ일 때의 제1 변환 함수이고, TPθ(f)는 후보 각도가 θ일 때의 제2 변환 함수이다.
그리고, 변환 함수가 적용된 진폭 부분(M'(f))과 위상 부분(P'(f))을 역이산 푸리에 변환하여 기준 생체 신호 파형을 산출할 수 있다. 여기서, 기준 생체 신호 파형은 기준 위치에서의 생체 신호 파형이고, 기준 위치는 제1 센서(312)와 심장과 동일한 높이에 있는 위치일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 기준 위치는 검출 지점이 심장의 아래에 위치할 때 있으며, 설계자의 따라 변경될 수 있다.
추정부(1140)는 기준 생체 신호 파형을 이용하여 피검체의 생체 상태에 대한 정보를 추정할 수 있다. 예를 들어, 생체 신호 파형이 PPG 파형인 경우, 추정부(1140)는 PPG 신호 파형을 이용하여 수축기 혈압, 이완기 혈압, 혈관 탄성도 등의 생체 상태에 대한 정보를 추정할 수 있다, 그리고, 그 결과를 표시부(330)에 표시할 수 있다.
PPG 파형으로부터 압력을 추정할 때, 혈압 추정 모델을 적용할 수 있다. 압력 추정 모델은, 예를 들어, 선형(linear) 모델 또는 비선형(non-linear) 모델일 수 있다. 비선형 모델은 신경망 학습(neural network learning) 모델, 커프(cuff) 혈압계에 의해 측정된 혈압과 비교하는 모델 등을 포함할 수 있다.
일 예시로 추정부(1140)는 신경망 학습 모델에 PPG 신호의 파형으로부터 추출된 인자들을 적용할 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 혈압 추정에 관한 신경망 학습 모델은, 특정한 인자들이 쿼리(query)로 입력된 경우, 미리 학습된 신경망 데이터 세트(neural network data set)를 이용하여 쿼리로 입력된 인자들에 매칭된 최종 혈압을 출력하는 모델이다. 여기서, 신경망 데이터 세트는, PPG 신호의 파형에서의 인자들 및 혈압과의 상관 관계에 대한 데이터 마이닝(data mining)을 통해 미리 학습된, 일종의 데이터베이스에 해당될 수 있다. 따라서, 추정부(1140)는 미리 학습된 신경망 데이터 세트로부터 최종 혈압을 획득할 수 있다.
한편, 앞서 설명된 바와 같이, 혈압을 추정하기 위하여, 신경망 학습 모델 또는 선형 모델 등에서 PPG 파형으로부터 추출된 인자들을 이용한다는 점은 이미 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하므로, 보다 자세한 설명은 생략하도록 한다. 또한, 이 밖에도, 혈압을 추정하기 위한 다양한 선형 모델들 또는 비선형 모델들이 알려져 있고 이는 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다. 뿐만 아니라, 추정부(1140)는 혈압이외에도 PPG 파형을 이용하여 자율신경계(ANS) 이상 및 이로 인한 스트레스 정도 등과 같은 질환을 추정할 수도 있다.
그리고, 프로세서(320)는 추정부(1140)가 생성된 생체 상태에 대한 정보가 정상 범위인지 비정상 범위인지를 결정하고 그 결과를 표시부(330)에 표시할 수도 있으며, 생체 상태에 대한 정보가 비정상인 경우, 프로세서(320)는 정상범위에 속할 수 있도록 피검체의 행동 지침을 제공할 수도 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 생체 신호를 처리하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
1310 단계에서 프로세서(320)는 피검체의 움직임이 있는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 제2 센서(314)로부터 수신된 검출 지점의 위치가 변경되면, 프로세서(320)는 피검체가 움직이고 있다고 판단할 수 있다. 피검체의 움직임은 생체 신호에 노이즈로 작용할 수 있으므로, 생체 신호 처리 장치(10)는 피검체의 움직임이 없을 때 생체 신호를 검출할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 피검체의 움직임을 생체 신호로부터 제거할 수 있다면 움직임 상태에서도 생체 신호를 검출할 수도 있다.
1320 단계에서, 제1 센서(312)는 피검체의 생체 신호를 검출할 수 있다. 생체 신호는 심장의 움직임에 의해 발생할 수 있으며, 제1 센서(312)는 피검체의 일부 영역에서 비침습방식에서 생체 신호를 검출할 수 있다. 예를 들어, 제1 센서(312)는 피검체의 손목에 배치되어 광을 이용하여 생체 신호를 검출할 수 있다.
1330 단계에서, 프로세서(320)내 생성부(1110)는 제1 센서(312)로부터 수신된 생체 신호를 이용하여 시간에 따른 생체 신호 파형을 생성할 수 있다. 생체 신호 파형 생성시 노이즈를 제거하는 필터를 이용할 수 있다.
1340 단계에서, 프로세서(320)내 결정부(1120)는 심장에 대한 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다. 결정부(1120)는 제2 센서(314)의 검출 결과 및 생체 신호 파형 중 적어도 하나를 이용하여 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다. 상대 위치를 결정하는 방법은 후술한다.
그리고, 1350단계에서, 변환부(1130)는 검출 지점의 상대 위치를 이용하여 생체 신호 파형을 기준 생체 신호 파형으로 변환시킬 수 있다. 예를 들어, 메모리(340)에는 기준 생체 신호 파형으로 변환시키기 위한 변환 함수가 위치 별로 정의된 메타데이터가 기저장되어 있을 수 있다. 변환부(1130) 상기 메타데이터로부터 상기 검출 지점의 상대 위치에 대응하는 변환 함수를 독출하고, 상기한 변환 함수를 이용하여 생체 신호 파형을 기준 생체 신호 파형으로 변환할 수 있다. 상기한 변환 함수는 진폭비로 정의된 제1 변환 함수와 위상차로 정의된 제2 변환 함수로 구분될 수 있다. 구체적으로, 생체 신호 파형을 이산 푸리에 변환하여 진폭 부분과 위상 부분으로 나누고, 진폭 부분에 제1 변환 함수를 적용하고 위상 부분에 제2 변환 함수를 적용한 후 역이산 푸리에 변환하여 기준 생체 신호 파형을 산출할 수 있다.
1360 단계에서 상태 추정부(1140)는 기준 지점의 생체 신호 파형을 분석하여 피검체의 생체 상태에 대한 정보를 추정할 수 있다. 상기한 생체 상태에 대한 정보는 혈압 정보, 혈관 탄력 정보 등일 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이 검출 지점의 상대 위치는 제2 센서(314)의 검출 결과 및 생체 신호 파형 중 적어도 하나를 이용하여 결정될 수 있다. 제2 센서(314)의 검출 결과가 검출 지점의 상대 위치와 일대일 대응되는 경우, 결정부(1120)는 제2 센서(314)의 검출 결과로부터 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다.
예를 들어, 생체 신호 처리 장치(100)가 생체 신호 파형을 생성할 때, 생체 신호 처리 장치는 피검체에게 팔을 편 상태를 유지할 것을 안내할 수 있으며, 피검체는 팔을 편 상태를 유지할 수 있다. 이와 같은 경우, 도 5a에 도시된 바와 같이 제2 센서의 결과와 검출 지점의 상대 위치는 일대일 대응될 수 있다. 또는, 생체 신호 처리 장치(100)가 생체 신호 파형을 생성할 때, 피검체는 생체 신호 처리 장치(100)를 팔뚝에 착용할 수 있다. 생체 신호 처리 장치(100)가 팔뚝에 착용되면 제2 센서(314)의 결과와 검출 지점의 상대 위치가 일대일 대응될 수 있다. 뿐만 아니라, 결정부(1120)는 제2 센서(314)의 검출 결과가 검출 지점의 상대 위치와 일대일 대응되지 않는 경우, 즉 제2 센서(314)의 결과로 검출 지점의 상대 위치가 복수 개인 것으로 예상되는 경우, 결정부(1120)는 검출 지점의 상대 위치를 결정하지 않고, 생성부(1110)는 생체 신호 파형을 생성하지 않을 수도 있다.
또는 결정부(1120)는 생체 신호 파형을 기초로 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다. 도 14는 일 실시예에 따를 생체 신호 파형으로부터 검출 지점의 상대 위치를 결정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
1410단계에서, 결정부(1120)는 생성부(1110)로부터 생체 신호 파형을 수신한다. 검출 지점의
1420 단계에서, 결정부(1120)는 생체 신호 파형으로부터 복수 개의 인자들을 추출한다. 상기한 인자들은 생체 신호 파형의 주기(T), 증대 지수(Al), 최대 수축기 시간(T1) 및 반사파 시간(T2) 등일 수 있다.
결정부(1120)는 추출된 인자들을 참조 생체 신호 파형의 인자들과 비교하여 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다. 설명의 편의를 도모하기 위해, 검출 지점의 상대 위치를 결정하고자 하는 생체 신호 파형을 현재 생체 신호 파형이라고 하고, 현재 생체 신호 파형의 상대 위치를 결정하기 위해 참조하는 생체 신호 파형을 참조 생체 신호 파형이라고 한다. 참조 생체 신호 파형은 검출 지점의 상대 위치가 기결정된 파형으로서 현재 생체 신호 파형 이전에 생성된 생체 신호 파형일 수 있다.
구체적으로, 1430 단계에서, 결정부(1120)는 현재 생체 신호 파형의 주기가 참조 생체 신호 파형의 주기와 동일한지 여부를 판단한다. 동일하지 않다면, 검출 지점의 위치가 변경된 것이 아니라 피검체의 생체 신호 자체가 변한 것이다.
하지만, 현재 생체 신호 파형의 주기가 참조 생체 신호 파형의 주기와 동일하다면, 1440단계에서, 결정부(1120)는 현재 생체 신호 파형의 인자들과 참조 생체 신호 파형의 인자들을 비교하여 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다.
예를 들어, 결정부(1120)는 현재 생체 신호 파형의 증대 지수(Al)가 참조 생체 신호 파형의 증대 지수보다 높아지고, 최대 수축기 시간(T1)이 길어진 반면 반사파 시간(T2)가 짧아지면 현재 생체 신호 파형에 대응하는 검출 지점의 상대 위치가 참조 생체 신호 파형에 대응하는 검출 지점의 상대 위치보다 높아졌다고 결정할 수 있다.
또한, 현재 생체 신호 파형의 증대 지수(Al)가 참조 생체 신호 파형의 증대 지수보다 낮아지고 최대 수축기 시간(T1)이 짧아진 반면 반사파 시간(T2)가 길어지면 현재 생체 신호 파형에 대응하는 검출 지점의 상대 위치가 참조 생체 신호 파형에 대응하는 검출 지점의 상대 위치보다 낮아졌다고 결정할 수 있다.
상대 위치의 변경 정도는 증대 지수, 최대 수축기 시간 및 반사파 시간의 변화량에 의해 결정될 수 있다. 상대 증대 지수, 최대 수축기 시간 및 반사파 시간의 변화량에 따른 상대 위치의 변경 정도에 대한 정보는 메타 데이터 형식으로 기저장되어 있을 수 있다. 상기한 결정부는 상기한 메타데이터를 이용하여 상대 위치의 변경 정도를 결정할 수 있다.
또는, 결정부(1120)는 생체 신호 파형의 변화와 제2 센서의 검출 결과를 모두를 이용하여 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다. 도 15는 다른 실시예에 검출 지점의 상대 위치를 결정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
1510단계에서, 결정부(1120)는 제2 센서의 검출 결과를 수신한다.
그리고, 1520단계에서, 결정부(1120)는 제2 센서의 검출 결과로부터 복수 개의 상대 위치가 예상되는지 판단한다. 예를 들어, 생체 신호 처리 장치가 피검체의 손목에 착용되었을 때, 제2 센서(314)의 검출 결과가 -180내지 -145도인 경우, 일반적으로 팔이 펴진 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 결정부(1120)는 제2 센서(314)의 검출 결과가 -180내지 -145도이면 검출 지점의 상대 위치가 하나인 것으로 예상할 수 있다. 그러나, 제2 센서(314)의 검출 결과가 -145내지 +180도인 경우, 팔이 펴진 상태와 팔이 굽혀진 상태에 따라 피검체의 상대 위치가 달라질 수 있다. 따라서, 결정부(1120)는 제2 센서의 검출 결과가 -145내지 +180도이면 검출 지점의 상대 위치가 복수 개로 예상할 수 있다.
제2 센서(314)의 검출 결과로부터 하나의 상대 위치가 예상되면, 1530단계에서, 결정부(1120)는 제2 센서(314)의 검출 결과로부터 검출 지점의 상대 위치를 결정할 수 있다. 즉 결정부(1120)는 예상되는 하나의 상대 위치를 검출 지점의 상대 위치로 최종적으로 결정할 수 있다.
그러나, 제2 센서(314)의 검출 결과로부터 복수 개의 상대 위치가 예상되는 경우, 1540단계에서, 결정부(1120)는 생체 신호 파형를 참조하여 예상되는 복수 개의 상대 위치 중 어느 하나를 검출 지점의 상대 위치뢰 최종 결정할 수 있다. 생체 신호 파형으로부터 검출 지점의 상대 위치를 결정하는 방법은 도 14에서 설명하였으므로, 구체적인 설명은 생략한다. 도 16은 다른 일 실시예에 따라 생체 신호 처리 장치(10)가 혈압에 대한 정보를 제공하는 방법을 설명하는 참조도면이다.
도 16을 참고하면, 생체 신호 처리 장치(10)에 블루투스, 와이파이 등과 같은 무선 통신 기능이 구비된 경우, 생체 신호 처리 장치(10)는 무선 통신 기능을 이용하여, 피검체의 스마트폰(1600)으로 모니터링된 혈압 정보(1610)를 전송할 수 있다. 이에 따라, 피검체는 생체 신호 처리 장치(10)외에도, 스마트폰(1600)의 디스플레이 화면을 통해 혈압 정보(1610)를 제공받을 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예 중 생체 신호를 처리하는 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 본 발명의 실시예에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 생체 신호 처리 장치
310: 센서 312: 제1 센서
314: 제2 센서 320: 프로세서
330: 표시부 340: 메모리
350: 사용자 인터페이스 1110: 생성부
1120: 결정부 1130: 변환부
1140: 추정부
310: 센서 312: 제1 센서
314: 제2 센서 320: 프로세서
330: 표시부 340: 메모리
350: 사용자 인터페이스 1110: 생성부
1120: 결정부 1130: 변환부
1140: 추정부
Claims (20)
- 피검체의 제1 영역으로부터 피검체의 제2 영역에 있는 심장의 움직임에 의해 발생된 생체 신호를 검출하는 단계;
상기 생체 신호로부터 생체 신호 파형을 생성하는 단계;
상기 생체 신호 파형 및 상기 제1 영역의 방향 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제2 영역에 대한 상기 제1 영역의 상대 위치를 결정하는 단계; 및
상기 상대 위치를 이용하여 상기 생체 신호 파형을 기준 생체 신호 파형으로 변환하는 단계;를 포함하는 생체 신호 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 변환하는 단계는,
상기 기준 생체 신호 파형으로 변환시키기 위한 변환 함수가 위치 별로 정의된 메타데이터로부터 상기 상대 위치에 대응하는 변환 함수를 독출하는 단계; 및
독출된 변환 함수를 상기 생체 신호 파형에 적용하여 상기 기준 생체 신호 파형을 산출하는 단계;를 포함하는 생체 신호 처리 방법. - 제 2항에 있어서,
상기 변환 함수는
진폭 부분의 제1 변환 함수와 위상 부분의 제2 변환 함수를 포함하는 생체 신호 처리 방법. - 제 3항에 있어서,
상기 제1 변환 함수는 서로 다른 위치에서 검출된 생체 신호 파형간의 진폭비로 정의되고
상기 제2 변환 함수는 서로 다른 위치에서 검출된 생체 신호 파형간의 위상차로 정의되는 생체 신호 처리 방법. - 제 3항에 있어서,
상기 산출하는 단계는,
상기 생체 신호 파형을 이산 푸리에 변환하여 진폭 부분과 위상 부분으로 분리하는 단계; 및
상기 진폭 부분에 상기 제1 변환 함수를 적용하고 상기 위상 부분에 상기 제2 변환 함수를 적용한 후 역이산 푸리에 변환하여 상기 기준 생체 신호 파형을 산출하는 단계;를 포함하는 생체 신호 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 기준 생체 신호 파형은,
상기 기준 위치에서의 생체 신호 파형인 생체 신호 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 기준 위치는,
상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 높이가 동일한 위치인 생체 신호 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 생체 신호는,
PPG인 생체 신호 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 영역의 방향은
제1 영역에 배치된 방향 센서에 의해 검출되는 생체 신호 처리 방법. - 제 9항에 있어서,
상기 방향 센서는,
기울기 센서인 생체 신호 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 상대 위치를 결정하는 단계는,
상기 제1 영역의 방향으로부터 하나의 상대 위치가 예상되는 경우, 예상된 상대 위치를 상기 상대 위치로 최종 결정하는 단계;를 포함하는 생체 신호 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 상대 위치를 결정하는 단계는,
상기 제1 영역의 방향으로부터 복수 개의 상대 위치가 예상되는 경우, 상기 생체 신호 파형을 이용하여 예상되는 복수 개의 상대 위치 중 어느 하나를 상기 상대 위치로 최종 결정하는 단계;를 포함하는 생체 신호 처리 방법. - 제 12항에 있어서,
상기 최종 결정하는 단계는,
상기 생체 신호 파형에서 증대 지수, 최소 수축기 시간 및 반사파 시간 중 적어도 두 개를 포함하는 인자들을 추출하는 단계; 및
추출된 인자들과 참조 생체 신호 파형의 대응하는 인자들을 비교하는 단계;를 포함하는 생체 신호 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 영역은
상기 피검체의 손목인 생체 신호 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 기준 생체 신호 파형을 이용하여 상기 피검체의 생체 상태에 대한 정보를 추정하는 단계;를 더 포함하는 생체 신호 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 생체 상태에 대한 정보는,
혈압 정보, 혈관 탄력 정보 중 적어도 하나를 포함하는 생체 신호 처리 방법. - 피검체의 제1 영역에 있는 심장의 움직임에 의해 발생된 생체 신호를 상기 피검체의 제2 영역에서 검출하는 제1 센서; 및
상기 생체 신호로부터 생체 신호 파형을 생성하고, 상기 제1 영역에 대한 상기 제2 영역의 상대 위치를 이용하여 상기 생체 신호 파형을 기준 생체 신호 파형으로 변환하는 프로세서;를 포함하는 생체 신호 처리 장치. - 제 17항에 있어서,
상기 기준 생체 신호 파형으로 변환시키기 위한 변환 함수를 위치 별로 정의한 메타데이터가 저장된 메모리;를 더 포함하고,
상기 프로세서는,
상기 메모리로부터 상대 위치에 대응하는 변환 함수를 독출하고, 상기 독출된 변환 함수를 상기 생체 신호 파형에 적용하여 상기 기준 생체 신호 파형을 산출하는 생체 신호 처리 장치. - 제 17항에 있어서,
상기 기준 생체 신호 파형은,
상기 기준 위치에서의 생체 신호 파형인 생체 신호 처리 장치. - 제 17항에 있어서,
상기 제2 영역의 방향을 검출하는 제2 센서;를 더 포함하는 생체 신호 처리 장치.
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