KR100492862B1 - 60GHz 마이크로웨이브를 이용한 비접촉식 심혈관-호흡신호분석 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고주파인 60GHz의 마이크로웨이브를 이용하여 피검자에게 송신파를 방사하여 인체표면의 진동변화를 측정하여 송신파와 측정된 반사파의 위상차를 비교하여 심장 및 폐의 이상여부를 분석하여 처리할 수 있도록 한 비접촉식 심혈관-호흡신호분석 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 비접촉식 심혈관-호흡신호 분석 장치는, 60GHz의 정현파를 송신하는 송신기(Transmitter), 상기 송신기로부터의 신호를 송신안테나와 제1믹서에 차등 분배하는 방향성 결합기(directional coupler), 상기 방향성 결합기로부터의 신호를 인체를 향해 방사하는 송신안테나, 상기 송신안테나에 의해 방사된 신호 중 인체에서 반사되어 오는 신호를 수신하는 수신안테나, 60GHz+△fn (△fn은 수백 MHz)의 주파수를 갖는 정현파를 발생시켜 제1믹서와 제2믹서에 공급하는 국부발진기, 상기 방향성 결합기로부터의 신호와 상기 국부발진기로부터의 신호를 입력받아 수백 MHz의 극초단파 기준신호를 위상검출기에 제공하는 제1믹서, 상기 국부발진기로부터의 신호와 상기 수신안테나로부터의 신호를 입력받아 위상검출기에 극초단파 신호를 출력하는 제2믹서, 상기 제1믹서와 상기 제2믹서의 입력신호로부터 양 신호의 위상차를 검출하여 출력하는 위상검출기(phase detector), 상기 위상검출기로부터의 출력신호를 증폭, 여과 및 A/D변환하여 진단처리부에 전달하는 인터페이스부 및 상기 인터페이스부를 통해 입력되는 정보로부터 심장이나 폐 등의 이상여부를 판단하여 표시하는 진단처리부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

60GHz 마이크로웨이브를 이용한 비접촉식 심혈관-호흡신호 분석 장치{The Non-Contact Cardiovascular-Respiratory Analysis System using the 60GHz Microwave}

본 발명은 비접촉식 심혈관-호흡신호 분석 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초고주파인 60GHz의 마이크로웨이브를 이용하여 피검자에게 송신파를 방사하여 인체표면의 진동변화를 측정하여 송신파와 측정된 반사파의 위상차를 비교하여 심장 및 폐의 이상여부를 분석하여 처리할 수 있도록 한 비접촉식 심혈관-호흡신호분석 장치에 관한 것이다.생명체의 생명유지에 있어서 대단히 중요한 것은 체내의 혈압을 일정하게 유지하는 것으로, 이 때문에 생명체는 여러 가지의 기구들을 겸비하고 있다. 특히 체내의 혈압을 일정하게 유지하며 각 기관들에 영양분을 공급하기 위한 순환계는 생명체의 생명을 유지하기 위한 가장 중요한 수단이며 이 순환계에 가장 지배적인 역할을 담당하는 신경계가 자율신경계의 교감 및 부교감신경계이다. 따라서 인체의 항상성 유지와 관련하여 인체의 외부환경에 대한 적응성, 즉 건강상태를 평가하기 위해서는 자율신경계의 분석 및 평가가 중요한 의미를 갖는다.

인체를 대상으로 한 자율신경 활동을 검사하는 방법에는 일찍이 좋은 방법이 없었다. 일반적으로 침습적(invasive)이며 시간에 따른 변화가 심하여 신뢰성이 부족하였다.그러나 최근에 심장의 수축주기를 스펙트럼으로 해석하는 방법이 대두되고 있으며, asg는 해외문헌과 연구발표를 통하여 이 방법의 신뢰성을 높이고 있다. 심장의 수축주기, 심박수와 혈압, 또는 심박수와 호흡의 관계를 분석함으로써 자율신경계의 역할이나 활동의 숨겨진 기능들이 연구되고 있다.

기존의 심장 신호를 측정하는 방법으로는 임피던스를 이용한 심박출량(Cardiac Output:CO) 측정장치(도2)가 있으며, 최근에는 미국을 중심으로 해서 2GHz 대의 임펄스신호를 이용하여 비접촉식으로 심박동을 측정하는 방법이 발표 (US 5,361,070)되기도 하였다.

도2 의 임피던스를 이용한 카디악 아웃풋(output) 측정장치의 경우 심장에 가까우면서 전극의 부착이 용이한 목과 가슴둘레에 전극을 부착하여 신호를 측정하고 있다. 이 방법의 문제점은 가슴 오픈상태에서의 수술이나 평소에도 옷을 벗은 상태에서 해야 하는 불편함이 있다.

따라서 상기의 문제점을 해결하기 위하여 도 1 에서와 같이 전극의 위치를 팔과 다리에 부착하였다.

한편, CO의 측정을 위하여 환자는 누운 자세로 움직임이 없는 상태에서 신호를 측정하였으나, 환자의 연속적 모니터링이 필요한 경우 환자의 움직임에 대응할 수 있는 장치의 개발이 필요하여, 가슴에 심박동신호를 검출할 수 있는 센서를 부착하여 운동 중 심박동 수를 검출할 수 있는 소형 모니터가 개발되어 시판 중에 있다.(도3 참조)

하지만 상기 심박동 모니터는 심박동신호의 세밀한 요소까지는 측정하지 못하고 단지 박동수만을 측정함으로 해서 단순히 운동선수나 스포츠동호인의 운동효과관리의 목적으로만 사용되고 있다. 국내에서는 현재 심장박동모니터에 대한 연구나 개발이 이루어진 바 없으며, 외국에서는 대형 스포츠 유통업체가 경쟁적으로 심박동모니터(Pulse Rate Monitor)를 개발하여 시판하고 있다. 하지만 이들 모두의 제품은 가슴에 신호측정부위(박동센서)를 감고 손목에 모니터를 차고 운동하는 형태로 이루어져 격한 운동에 의한 흘러내림이나 여성의 신체적 특성 때문에 발생하는 고통에 무방비인 상태이다.

나아가 심박동 신호와 호흡신호에 대한 동시 분석은 아직 이루어지지 않고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 초고주파 영역인 60GHz의 마이크로웨이브를 이용하여 비접촉식으로 심혈관-호흡신호를 분석하는데 그 목적이 있다.

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본 발명에 적용되는 비접촉식 심혈관-호흡신호 분석 장치는,60GHz의 정현파를 송신하는 송신기(Transmitter), 상기 송신기로부터의 신호를 송신안테나와 제1믹서에 차등 분배하는 방향성 결합기(directional coupler), 상기 방향성 결합기로부터의 신호를 인체를 향해 방사하는 송신안테나, 상기 송신안테나에 의해 방사된 신호 중 인체에서 반사되어 오는 신호를 수신하는 수신안테나, 60GHz+△fn (△fn은 수백 MHz)의 주파수를 갖는 정현파를 발생시켜 제1믹서와 제2믹서에 공급하는 국부발진기, 상기 방향성 결합기로부터의 신호와 상기 국부발진기로부터의 신호를 입력받아 수백 MHz의 극초단파 기준신호를 위상검출기에 제공하는 제1믹서, 상기 국부발진기로부터의 신호와 상기 수신안테나로부터의 신호를 입력받아 위상검출기에 극초단파 신호를 출력하는 제2믹서, 상기 제1믹서와 상기 제2믹서의 입력신호로부터 양 신호의 위상차를 검출하여 출력하는 위상검출기(phase detector), 상기 위상검출기로부터의 출력신호를 증폭, 여과 및 A/D변환하여 진단부에 전달하는 인터페이스부 및 상기 인터페이스부를 통해 입력되는 정보로부터 심장이나 폐 등의 이상여부를 판단하여 표시하는 진단처리부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.본 발명은, 인체의 심혈관 활동을 파동의 도플러 효과(Doppler Effect)를 이용하여 비접촉식으로 측정하는 것으로, 원격에서 피검자에게 미세한 전자기파를 방사하고 다시 피검자로부터 반사되어 오는 반사파를 수신하여 그 위상변화를 검출함으로써, 심장의 활동과 폐의 활동으로 인하여 발생하는 체표면의 미세한 진동을 검출하는 것이다. 본 발명의 기본 원리는 다음과 같이 도플러 효과를 이용한 것이며, 도플러 효과는 도플러 레이더나 스피드 건 등에 널리 응용되어 오고 있다. 위의 그림과 같이 고정된 물체(object)에 일정한 주파수의 정현파를 방사한다면, 거리 R에 의하여 움직임이 없는 정지파(stationary)를 형성하게 된다. 이때 물체가 진동을 한다면 수신단에서 측정한 파형은 송신파와 반사파의 위상의 변화를 발생시키고(Doppler Effect), 이를 수식으로 표현하면 다음과 같이 표현할 수 있다. 여기서, 이다.결국, 여기서, 물체의 진동을 측정하기 위해서 송신한 신호와 수신한 신호와의 위상차는 물체의 진동, 움직임에 비례하는 상관성을 나타내게 된다. 이를 측정함으로써 물체(Object)의 진동을 감지할 수 있다. 인체의 경우, 심장이나 호흡에 의한 체표면의 진동은 1~10mm 정도로서 매우 미세하다. 따라서 이와 같은 진동폭을 정확히 측정하기 위해서는 파장(λ)이 수 mm 이내가 되어야 한다. 이런 이유로 본 발명에서는 60GHz (λ=5mm)를 사용하였다. 본 발명에서는 기존의 부착형 전극을 사용하지 않고 인체에 무해한 파장(수 mm 정도의 파장을 갖는 전자파는 인체의 표피부분에서 거의 전반사를 함)의 전자파를 사용하며, 공간을 이동하는 평면파가 물체의 표면에서 반사하는 특징과 표면진동에 의해 발생하는 입사파와 반사파의 위상차를 이용하여 피검자의 심박수를 검출한다.본 발명에 의한 비접촉식 심혈관-호흡신호 분석 장치는 외부의 표피로 전달되어지는 심장의 수축활동을 측정하기 때문에 측정장치와 표피사이에 간단한 의복과 같은 방해막이 있어도 심장의 수축을 감지할 수 있는 장점이 있다. 이하 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 동작과정을 상세히 설명하도록 한다.도4는 본 발명에 따른 비접촉식 심혈관-호흡신호 측정장치의 구성도이다. 송신기(Transmitter)로부터의 60GHz의 연속 정현파 신호는 방향성 커플러(Directional Coupler)에 의하여 송신 안테나로 전달되고, 일부분은 극초단파 기준신호를 얻기 위해 믹서1에 제공된다. 송신안테나는 피검자를 향해 60GHz의 전자파를 방사하고 이 전자파 중 일부는 피검자에게서 반사되어 수신안테나에 의해 수신된다.국부 발진기(Local Oscillator)는 헤테로다인 주파수변환을 위해 믹서1과 믹서2에 주파수 60GHz+△fn(△fn은 수백MHz)의 신호를 공급한다. 믹서1은 국부발진기로부터의 신호(주파수는 60GHz+△fn)와 방향성 커플러로부터의 신호(주파수 60 GHz)를 입력받아 양 신호의 주파수 차(수백 MHz)의 주파수를 갖는 신호를 기준신호로서 위상검출기에 출력한다. 한편 믹서2는 국부발진기로부터의 신호(주파수는 60GHz+△fn)와 수신안테나가 수신한 반사파 신호를 입력받아 양 신호의 주파수 차에 해당하는 주파수를 갖는 신호를 위상검출기에 출력한다.위상검출기(Phase detector)는 믹서1과 믹서2로부터 입력되는 신호의 위상차를 검출하여 이를 전압신호로 바꾸어 인터페이스부에 출력하고, 인터페이스부에서는 이 신호를 증폭, 대역여과 및 A/D변환하여 진단처리부(컴퓨터)에 제공한다.진단처리부는 인터페이스부를 통해 입력되는 위상차신호 정보로부터 심박과 호흡률을 구하여 이로부터 심장이나 폐의 이상여부를 진단하는 프로그램이 탑재된 컴퓨터로 구성되며, 진단 결과를 모니터에 표시한다. 도5는 인터페이스부의 세부 구성을 나타낸 것이다. 위상검출기에서 출력되는 신호는 매우 미약하기 때문에, 일차 Buffer 증폭기(약 100배)를 거쳐 신호를 증폭하고, 이를 다시 A/D변환하기 위한 신호 레벨(0 ~ 10V)로 만들기 위하여 선형 증폭기(Linear Amp#1, 2)를 거치게 된다. 선형 증폭기를 거친 신호는 호흡신호 대역(DC~0.5Hz)과 심박신호 대역(0.5~3Hz)을 얻기 위해 각각의 대역통과필터에 의해 대역여과되고, 이후 A/D변환되어 진단처리부(컴퓨터)에 입력된다.진단처리부는 입력된 정보로부터 각각의 대역필터를 통과한 값이 최대일때의 주파수의 역수로서 심박수와 호흡률을 계산하여 그 이상여부를 진단하게 된다. 아래의 표는 심혈관계의 기능상태에 대한 진단예를 나타낸 것이며, 이러한 진단의 지표는 Rozenblat V.V.의 "Problem of Exhaustion" (Moscow., Medicine, 1975, P.240) 나 Baevskij R.M의 "level of Arterial Pressure and Vegetative Regulation of Heart at Modeling the Intense Camera Activity" (Human Physiology, 1983, v.9, No.5, pp.723-728) 등에 제시되어 있다. 본 발명에 따른 비접촉식 심혈관-호흡신호 측정 장치의 기술제원은 다음의 표와 같으며, 구성도는 도4 및 도5 와 같다. 그리고 도6 은 측정장치의 외관을 나타낸 것이다. 도4 를 부연하여 설명한다. 비접촉 심혈관-호흡신호 측정장치의 구성은 초고주파 블록, 중주파 블록, 저주파 블록, 그리고 아날로그 디지털 변환기로 구성된 디바이스 인터페이스(Device interface) 부분으로 구성된다. 최종적으로 측정된 위상차 신호는 병렬포트 연결 케이블을 통하여 컴퓨터에 기록되고, 이후 신호의 조합과 분석이 이루어지며 측정변수와 계산변수가 그래픽과 도표형식으로 평가되며 또한 진단결과가 자동적으로 세분화되어 평가된다.초고주파 블록은 금속성의 단일식(monolithic)구조이며, 안테나, 기본채널과 신호채널 발진기, 초고주파 혼합기, 통풍관, 지향성 커플러(directed coupler) 그리고 도파관(wave guide)의 금속부분으로 결합된 동력분리기(power separator)로 구성된다.중주파 블록은 기본 채널과 신호채널의 중주파수 발진기 위상검파기로 구성된다. 저주파 블록은 기본채널과 신호채널로 이루어진 아날로그식 증폭회로, 출력신호 여과기, 혼합발진기, 그리고 PC로 신호를 전달하고 향후 측정결과를 조합, 분석하는데 필수적인 아날로그-디지털 변환기로 구성되어 있다. 전류공급은 220V/110V, 60Hz로 공급받거나 배터리를 사용할 수도 있다.심혈관계에서의 심장진동 근원의 주된 요인은 대동맥의 성장으로부터 혈액의 정기적인 장류인데, 이것이 외형상의 유동성 웨이브 압력을 이루게 된다. 이것이 혈관을 통해 전달되고, 이를 맥박이라 한다. 맥박은 심장과 심혈관계의 많은 구조적 기능적 요소에 관련된 활동을 반영하고, 자율신경계와 근육체계에 영향을 준다. 따라서 본 발명에 의한 측정 장치는 심장수축과 확장의 주기와 연관된 가슴의 미세한 표면진동을 원격으로 측정이 가능하여 임상적으로 많은 부분에서 그 활용성이 높다고 할 수 있다.측정의 결과는 심장활동을 반영하는 주기신호이며, 심장과 심혈관시스템에 대한 활동흐름의 평가를 컴퓨터가 자동으로 해주며, 외부 신체와 정신적 부하에 대한 자율신경계의 변화를 평가할 수 있다. 측정기는 비접촉방식으로 의복이나 구두를 착용하여도 측정이 가능하다. 이 측정기는 매우 높은 수신감도를 유지하도록 설계되었으며, 실시간으로 기록할 수 있는 능력을 가지고 있어 응급처지가 가능하다. 또한 시간적 내구성을 갖추고 측정의 재현성과 정확성이 매우 우수하다. 또한, 이 측정장치는 초고주파 횡단면(cross-section) 영역의 무선 파장으로 작동하며 피검자에 전혀 해로운 영향을 끼치지 않는다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 피검자의 신체에 측정을 위한 전극(센서) 등을 부착하지 않고도 심박 및 호흡률을 측정할 수 있으며, 또한 5 mm 정도의 파장을 갖는 60GHz의 전자파를 사용함으로써 심박과 호흡에 의한 인체의 진동(1~10mm 범위 내의 진동)을 보다 정확히 검출해 낼 수 있는 효과가 있다.

나아가서는 자율신경계의 이상이 있을 것으로 예측되는 뇌졸중, 당뇨, 척수손상 환자에서 자율신경계와 일상생활의 동작 및 하루 중의 시간적 변화(diurnal variation)와의 연관성을 규명할 수 있으며, 뇌졸중, 당뇨병에서 질병의 발생, 재발 또는 예후에 대한 예측지표(predictive value)의 개발, 치료적 개입의 효과, 척수 손상 환자에서는 심각한 심혈관계 부작용의 예측 및 치료적 개입(therapeutic intervention) 등에 유용하게 적용될 수 있다.

또한 효율적인 심박동과 호흡의 원격관리를 통하여 운동선수의 기초 체력훈련 등에 합리적인 데이터를 마련하여 국민 체력증진에도 일조할 수 있다.

도 1 은 비접촉식 원격 모니터링용 CO 측정기

도 2 는 종래의 임피던스 CO 측정기

도 3 은 시판중인 심박동 모니터의 사용 예

도 4 는 본 발명에 적용되는 비접촉식 심혈관-호흡신호 측정장치의 구성도

도 5 는 인터페이스 블록도 (A/D and ADSP 2105)

도 6 은 제작된 시스템의 외관

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Claims (3)

1. 60GHz의 정현파를 송신하는 송신기(Transmitter);

   상기 송신기로부터의 신호를 송신안테나와 제1믹서에 차등 분배하는 방향성 결합기(directional coupler);

   상기 방향성 결합기로부터의 신호를 인체를 향해 방사하는 송신안테나;

   상기 송신안테나에 의해 방사된 신호 중 인체에서 반사되어 오는 신호를 수신하는 수신안테나;

   60GHz+△fn (△fn은 수백 MHz)의 주파수를 갖는 정현파를 발생시켜 제1믹서와 제2믹서에 공급하는 국부발진기;

   상기 방향성 결합기로부터의 신호와 상기 국부발진기로부터의 신호를 입력받아 수백 MHz의 극초단파 기준신호를 위상검출기에 제공하는 제1믹서;

   상기 국부발진기로부터의 신호와 상기 수신안테나로부터의 신호를 입력받아 위상검출기에 극초단파 신호를 출력하는 제2믹서;

   상기 제1믹서와 상기 제2믹서의 입력신호로부터 양 신호의 위상차를 검출하여 출력하는 위상검출기(phase detector);

   상기 위상검출기로부터의 출력신호를 증폭, 여과 및 A/D변환하여 진단처리부에 전달하는 인터페이스부; 및

   상기 인터페이스부를 통해 입력되는 정보로부터 심장이나 폐 등의 이상여부를 판단하여 표시하는 진단처리부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비접촉식 심혈관-호흡신호 분석장치
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