KR100820159B1 - 혈압측정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비침습적이면서 커프를 통한 가압없이 혈압을 측정하는 기술에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 심전도측정용 전극을 통해 피측정자의 심전도를 측정하고, PPG 센서를 통해 맥파를 측정한 후 이 측정값을 근거로 맥파전달 시간을 구하는 제1과정과; 상기 PPG 센서를 통해 측정한 맥파를 분석하여 정보를 얻는 제2과정과; 상기 맥파전달시간, 맥파분석정보 및 피측정자 신체의 특성요소를 회귀식에 적용시켜 혈압 값을 산출하는 제3과정에 의해 달성된다.

Description

혈압측정 방법 및 장치{BLOOD PRESSURE MEASURING METHOD AND APPARATUS}

도 1은 본 발명에 의한 혈압측정 방법의 처리과정을 나타낸 제어 흐름도.

도 2(a)는 심전도(ECG) 파형.

도 2(b)는 산소 포화도 측정(PPG)으로 얻은 파형도

도 2(c)는 도 2(b)의 2차미분 파형도 및 시간.

도 3의 맥파전달시간을 나타낸 파형도.

도 4는 본 발명에 의한 혈압측정 장치의 블록도.

도 5는 본 발명에 의한 심전도측정용 전극 및 PPG 센서의 설치 부위를 보인 휴대폰의 좌우측면도 및 정면도.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

11 : 심전도측정용 전극 12 : PPG 센서

13 : 신체정보 입력부 14 : 중앙처리장치

15 : 표시장치 16 : 메모리부

본 발명은 비침습적이면서 커프를 통한 가압없이 혈압을 측정하는 기술에 관 한 것으로, 특히 맥파분석정보를 맥파전달시간과 혈압 간의 관계식에 반영하여 보다 정확한 혈압측정이 가능하도록 한 혈압측정 방법 및 장치에 관한 것이다.

혈압은 심박출량, 혈관의 탄성도, 환자의 생리적인 변화 등에 대한 많은 정보를 포함하고 있는 중요한 생리지표이다. 혈압을 측정하는 방식은 크게 침습적인 방법과 비침습적인 방법이 있으며, 침습적인 방법은 카테터를 혈관에 삽입하여 지속적으로 정확하게 혈압을 측정할 수 있는 방법이고, 비침습적인 방법은 주로 커프를 사용하여 압력을 가하면서 소리나 진동을 감지하여 혈압을 측정하는 방법으로, 연속적으로 측정하는데 제한을 받는다.

비침습적이면서 커프를 사용하지 않고 혈압을 측정하는 방법으로, 광학묘기측정(photoplethysmogram)을 통해 얻어지는 파형을 분석하여 동맥평균혈압을 산출하는 방법과, 심전도(ECG:electrocardiogram)와 백파 신호 측정(예를 들어 산소 포화도 측정 방식(PPG: Photo Plethysmo-Graphy))으로부터 맥파전달시간(pulse transit time)을 얻고 이를 이용하여 혈압을 산출하는 방법 등이 있다.

압력과 부피의 관한 식으로부터 혈압과 맥파전달시간 간의 관계식은 다음의 [수학식1]과 같이 표현된다.

여기서, c는 맥파의 속도이고 δ는 혈액의 밀도, V는 혈액의 부피, P는 혈압을 나타낸다. 혈액의 밀도가 일정하다고 하면 상기 [수학식1]을 다음의 [수학식2] 와 같이 좀더 간단하게 표현할 수 있다.

상기 [수학식2]는 혈압을 맥파의 속도와 혈액의 부피의 변화로부터 추정할 수 있다는 것을 의미한다. Stephen O. Heard 등의 논문(Journal of Clinical Anesthesia, 12:509-518, 2000)을 보면 PTT를 측정하는 시간을 맥파가 최저점에서 최고점으로 오르는 구간의 50%를 기준으로 계산하여 c와 △V/V 부분을 한꺼번에 처리하여 관계식을 얻었다.

그러나, 이러한 관계식을 적용하여 혈압을 측정하면 사람에 따라 조금씩 다른 측정값이 출력된다. 즉, 범용의 회귀식이 아니므로 개개인에 맞는 회귀식을 따로 얻어야 하며, 이를 위해 보정이 필요하고 정확성을 높이기 위해서는 보정의 횟수도 늘려야 한다.

사용자의 편의성이나 지속적인 혈압의 모니터링을 위해서는 비침습적이면서 커프를 사용하지 않는 무가압 측정방법이 적합하지만, 종래 기술에 의한 무가압 측정방법을 이용하는 경우 모든 피측정자들에게 적용할 수 있는 범용의 회귀식을 얻기가 어려워 개개인별로 보정이 필요하고 정확한 혈압측정값을 얻기 위해서는 지속적으로 보정을 해야하는 어려움이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 맥파전달시간(PTT)을 이용하여 혈압을 산출함에 있어서 피측정자의 키, 몸무게, 나이, 성별, 팔길이 등의 물리적 특징에 관한 정보 를 적용하고, PPG로 얻어지는 맥파를 분석한 정보를 인자로 포함시켜 정확한 혈압 값 산출이 가능하도록 하는 혈압측정 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 혈압측정 방법은, 피측정자의 몸무게, 키, 팔길이, 나이, 성별을 포함하는 신체적인 특성요소 중 적어도 하나 이상을 입력하는 제1과정과; 심전도측정용 전극을 이용하여 피측정자의 심전도를 측정하고, PPG 센서를 이용하여 맥파를 측정한 후 이 측정값을 근거로 맥파전달 시간을 구하는 제2과정과; 상기 측정된 맥파를 분석하여 정보를 얻는 제3과정과; 상기 맥파전달시간, 맥파분석 정보 및 피측정자 신체의 특성요소를 회귀식에 적용시켜 혈압값을 산출하는 제4과정을 포함하여 이루어진다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 혈압측정 장치는 휴대형 단말기의 각부 설치되어 피측정자의 심전도를 측정하기 위한 복수개의 심전도측정용 전극 및, 맥파를 측정하기 위한 PPG 센서와; 피측정자의 몸무게, 키, 팔길이, 나이, 성별 등과 같은 신체적인 특성 요소를 입력하기 위한 신체정보 입력부와; 상기 측정값을 근거로 피측정자의 맥파전달시간, 맥파분석 정보를 구하여 이들과 함께 상기 신체의 특성요소를 회귀식에 적용하여 혈압값을 산출하는 중앙처리장치와; 상기 중앙처리 장치가 산출한 혈압값을 표시하는 표시부를 포함하여 구성한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 혈압측정 방법의 제어 흐름도로서 도시한 바와 같이, 혈압 측정 장치에 구비된 신체정보 입력부를 통해 피측정자의 성별, 나이, 키, 몸 무게 등과 같은 피측정자의 신체적 특성요소를 입력하는 단계(S1), 측정 장치에 구성된 심전도측정용 전극을 통해 피측정자의 심전도를 측정하고, PPG 센서를 통해 맥파를 측정하는 단계(S2), 상기 단계에서 측정한 값들을 근거로 맥파전달 시간을 구하는 단계(S3), 상기 PPG 센서를 통해 측정한 맥파를 분석하여 정보를 얻는 단계(S4), 상기 맥파전달시간, 맥파분석정보 및 피측정자 신체의 특성요소를 회귀식에 적용시켜 혈압값을 산출하는 단계(S5, S6), 그리고 상기 산출된 혈압값을 표시장치에 표시하는 단계(S7)로 이루어진다.

상기 맥파전달 시간은 혈액이 심장에서 출발하여 손끝이나 발끝 등의 말초에 도달하기까지 걸리는 시간으로 심전도의 R파와 맥파를 이용하여 구한다. 심장은 폐와 온몸으로 혈액을 순환시키기 위해 수축과 이완을 반복하는데, 심근세포들을 동시에 수축시키기 위한 전기적 신호를 동방결절과 방실결절에서 보내게 되며, 우리 몸에서 심전도 측정하면 이러한 전기적 신호를 얻을 수 있다. 도 2(a)는 대표적인 심전도 파형으로 그림과 같이 파형의 피크 위치에 따라 'PQRST파' 라고 부른다. 맥파전달시간을 구하기 위해서는 그중 R파를 이용하는데, R파는 혈액이 심장에서 방출되어 나오는 시기라고 볼 수 있다.

말초에 도달함은 손끝에서 맥파를 측정함으로 알 수 있다. 도 2(b)는 광센서(PPG 센서)를 이용하여 손가락 끝에서 얻은 대표적인 신호의 파형이다. 맥파는 심장이 수축과 이완을 반복하면서 혈류량의 변화가 생기기 때문에 이것이 반영되어 그림과 같이 신호의 파형이 나오게 된다. 맥파 전달 시간을 측정하기 위해서는 맥파신호 파형에서 어느 한 기준점을 잡아야하는데 일반적으로 맥파의 신호가 올라가 는 중간지점을 잡기도 하고, 1차미분의 최대점 혹은 2차미분의 최대점 등을 사용할 수 있다.

본 발명에서 맥파전달시간(PTT)은 심전도의 R파로부터 맥파의 2차미분 최대점까지 사이의 시간을 측정하여 구하며, 이는 도 3에 PTT1으로 나타나 있다. 이는 심전도의 R파로부터 말초에 나타나는 PPG측정값의 최대 기울기 지점까지의 시간이라 표현할 수도 있다.

상기 맥파분석정보는 맥파의 파형을 분석하여 얻는데, 광센서를 통해 얻어진 맥파의 신호(PPG 측정값)를 2차 미분을 통해 도 2(c)와 같은 가속도 맥파 파형을 얻을 수 있다. 이는 Kenji Takazawa(American Heart Association,1998) 등이 발표하여 널리 알려져 있는데, 본 발명에서는 맥파의 2차미분 파형 분석을 통해 얻는 혈관노화도 외에, 각 피크들이 얻어지는 시간을 분석한 정보를 사용한다. 일반적으로 가속도 맥파 파형에서 도 2(c)와 같이 각 피크를 a, b, c, d, e로 구분하며, a, b, c, d, e 값들을 이용하여 혈관의 노화도 혹은 혈관의 나이를 산출한다. 본 발명에서는 맥파의 1차 미분의 최대점 사이의 시간으로부터 맥박수를 산출하는 것과, 2차 미분의 파형에서의 각 피크점인 a, b, c, d, e 값으로부터 혈관의 상태와 관련이 있다고 여겨지는 인자들, 예를 들면 b/a, c/a, d/a, e/a 와 같은 값들, 또한 각 피크들 사이의 시간차이, 예를 들면 a 피크에서 b 피크가 나오는 시간 및 a-c, a-d, a-e 시간을 측정하여 혈압값을 산출하는 인자로 활용한다. 이와 같이 혈관의 상태에 관심을 둔 이유는 혈관벽에 혈전이 쌓이면 혈류가 지나갈 수 있는 통로가 상대적으로 줄어들고 이에 따라 저항이 커져 혈압에 영향을 줄 수 있기 때문이다.

손끝에서 얻어지는 맥파의 신호는 광센서 위에서 누르는 힘의 세기에 의해 영향을 받을 수 있다. 누르는 힘에 의한 영향은 얻어진 파형의 패턴을 분석하여 해결할 수도 있고, 별도의 압력센서를 광센서 아래에 두어 적정한 힘으로 광센서에 접촉할 수 있도록 할 수 있다. 또한, 체온은 37도 정도라고 하지만 팔다리나 손발에서는 체온이 일정치 않고 바뀌기도 한다. 손발에서 체온이 떨어지는 이유는 혈류량이 감소하기 때문이다. 실제로 손가락의 온도가 낮은 경우 맥파 신호가 잘 나오지 않는데, 광센서 부근에 별도의 온도센서를 구성하여 광센서에서 맥파를 측정하는 부위의 부분 온도를 측정하여 측정값을 혈압값을 산출하는 인자로 사용할 수 있다. 그리고, 37도에서 크게 벗어나는 온도의 경우 이때 측정한 맥파의 데이터를 사용하지 않고, 손 맛사지 등을 통해 체온을 다시 올린 후 재측정할 수 있도록 유도할 수 있다.

상기 신체적 특징에 해당하는 키, 몸무게, 나이 등은 그 자체를 혈압값 산출을 위한 회귀식의 인자로 사용할 수도 있으며, 키를 맥파전달시간(PTT)으로 나눠 속도의 형태로 할 수도 있고, 키와 몸무게를 이용하여 BMI (Body Mass Index)를 구해 인자로 활용할 수 있다.

본 발명에서의 혈압과 맥파전달시간과 회귀식의 관계는 [수학식3]과 같이 나타낼 수 있다. 상기 피측정자의 신체의 특성요소는 사용자로부터 입력받은 값을 이용하고, 그 외의 정보를 실제 측정을 통해 얻은 값을 이용한다.

상기 수학식 3에 사용되는 맥파전달시간은 [수학식4]와 같이 단순히 심전도의 R파에서부터 PPG 2차미분의 최대값까지의 시간(PTT)을 사용할 수도 있고, 입력한 피측정자의 키나 팔길이 등을 이용하여 나타낼 수도 있다.

또는

상기 수학식 3에 사용되는 맥파분석정보는 예를 들어, 맥박수 및 [수학식5]와 같이 a,b,c,d,e 에서의 값을 이용한 점수나 a값으로 각각의 점들을 나눠준 상대적인 값들의 조합이 들어갈 수 있다. 여기에 각 점들이 나오는 상대적인 시간들의 조합을 포함하여 맥파분석정보를 나타낸다.

여기서 Ta, Tb, Tc, Td, Te 는 맥파의 이차 미분파형의 a,b,c,d,e 점들이 나오는 시간을 의미하며 T는 맥파와 맥파 사이에 걸리는 시간을 의미하며, 60/T 는 맥박수에 해당하며 맥박수 역시 맥파분석정보로 사용할 수 있다.

[수학식 6]은 위와 같은 내용을 조합한 혈압에 대한 회귀식의 한 예에 해당한다.

여기서, BP는 혈압(systolic, diastolic, mean blood pressure)을 의미하며, c1,c2,c3,c4,c5 등은 회귀분석을 통해 획득된 상수들이다.

도 4는 본 발명에 의한 혈압측정 장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 피측정자의 몸무게, 키, 팔길이, 나이 등과 같은 신체적인 특성 요소를 입력하기 위한 신체정보 입력부(13), 측정장치에 피측정자의 심전도를 측정하기 위한 심전도측정용 전극(11), 피측정자의 맥파를 측정하기 위한 PPG 센서(12), 상기 측정값을 근거로 피측정자의 맥파전달시간, 맥파분석정보를 구하여 이들과 함께 상기 신체의 특성요소를 회귀식에 적용하여 혈압값을 산출하는 중앙처리장치(14), 상기 중앙처리장치(14)에 의해 산출된 피측정자의 혈압값을 표시하기 위한 표시장치(15), 그리고 상기 중앙처리장치(14)의 처리 데이터 및 혈압측정 프로그램이 저장되어 있는 메모리부(16)로 구성된다. 상기 구성은 독립적으로 구성되어 전용 측정 장치로 활용되거나, 도 5와 같이 기존의 다른 장치들에 부가되어 사용될 수 있다. 이렇게 다른 장치에 부가되는 경우, 상기 신체정보 입력부(13), 중앙처리장치(14), 표시장치(15), 메모리부(16)는 적용 대상 장치에 구성된 수단을 활용할 수 있다.

도 5는 도 4에 도시한 구성을 이동통신 단말기에 적용한 예로써, 상기 심전도측정용 전극(11A, 11B, 11C)은 이동통신단말기 본체(20)의 좌우측면(11A, 11C)과 폴더(21)의 외측 하부(11B)에 각기 설치할 수 있으며, 맥파 측정용 광센서(12)도 폴더 외측 하부의 전극(11B) 근처에 함께 설치할 수 있다. 이렇게 함으로 피측정자 가 한손으로 휴대폰을 가볍게 감싸면서 두 손가락을(추천하는 것으로는 왼손의 엄지와 검지) 좌우측면 전극(11A, 11C)에 접하고, 다른 한 손의 한 손가락을(오른손의 검지) 폴더 외측 하부의 전극(11B)과 광센서(12)에 모두 접하도록 올려놓음으로 심전도와 맥파를 동시에 측정할 수 있다.

다른 예로는, 휴대폰의 좌측면에 심전도용 전극 두 개를 조금 띄어놓은 형태로 위치시키고 우측면에 나머지 하나의 전극을 위치시킨다. 이때, 우측면 전극 아래 광센서를 위치시키며 광센서가 드러날 수 있도록 전극에 홀(hole)을 형성한다. 이렇게 함으로 피측정자는 양손의 한 손가락씩(추천하는 것은 양손의 검지) 두 손가락만을 사용하여도 필요한 심전도와 맥파 신호를 얻어 혈압값 산출에 사용할 수 있다. 또한, 위의 예에서 심전도용 전극은 2개로도 구성이 가능하며 양손을 이용하여 각각 한 손가락씩 두 손가락을 접하면 심전도 측정이 가능하다.

상기와 같은 본 발명의 혈압측정 기술은 장치의 구성이 간단하고 조작이 단순하여 독립 장치뿐만 아니라, 이동통신 단말기, MP3 플레이어, 게임기 등의 휴대형 제품에 쉽게 적용할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은, 맥파전달시간(PTT)을 이용하여 혈압을 측정할 때 피측정자의 키, 몸무게, 나이, 성별, 팔길이 등의 신체적인 특성 요소와 맥파분석 정보를 회귀식에 적용시켜 혈압을 측정함으로써, 비침습적이면서 커프를 사용하지 않고 혈압을 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (15)

1. 피측정자의 몸무게, 키, 팔길이, 나이, 성별을 포함하는 신체적인 특성요소 중 적어도 하나 이상을 입력하는 제1과정과;

   심전도측정용 전극을 이용하여 피측정자의 심전도를 측정하고, PPG 센서를 이용하여 맥파를 측정한 후 이 측정값을 근거로 맥파전달 시간을 구하는 제2과정과;

   상기 측정된 맥파를 분석하여 정보를 얻는 제3과정과;

   상기 맥파전달시간, 맥파분석 정보 및 피측정자 신체의 특성요소를 회귀식

   

   에 적용시켜 혈압값을 산출하는 제4과정을 포함하여 이루어지며,

   여기서, 상기 C1 내지 C4는 회귀분석을 통해 얻어진 상수인 것을 특징으로 하는 혈압측정 방법.
2. 제1항에 있어서, 맥파전달 시간을 구하기 위해 측정된 심전도의 R파로부터 측정된 맥파의 2차 미분 최대점까지의 시간을 사용하는 것을 특징으로 하는 혈압측정 방법.
3. 제1항에 있어서, 맥파전달시간은 다음의 [수학식]으로 표현되는 것을 특징으로 하는 혈압측정 방법.

   

   또는

   

   상기 PTT는 심전도의 R파로부터 맥파의 2차 미분 최대점까지의 시간.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 맥파분석정보는,

   맥파의 2차 미분 파형을 통해 얻어진 복수의 피크값들을 기설정된 조합에 의해 조합하여 얻는 혈관노화도 정보와 상기 파형의 각 피크값들 간의 시간 차이를 산출하여 얻는 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈압측정 방법.
6. 제1항에 있어서 맥파분석정보는 맥파의 1차 미분 파형의 최대점들 사이의 시간으로 얻는 맥박수와, 최초 피크점이 나타난 시점을 기준으로 각 후속 피크점이 나타난 시간 값들 중 적어도 한 종류 이상의 값들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈압측정 방법.
7. 제 1항에 있어서, 맥파분석정보는 맥파의 2차 미분 파형들의 피크지점들을 최대값위치를 기준으로 순차적으로 a, b, c, d, e라 할 경우,

   b/a, c/a, d/a, e/a의 조합으로 얻는 점수와,

   각 피크지점들이 나타나는 시간을 Ta, Tb, Tc, Td, Te라 할 경우,

   T1=(Tb-Ta), T2=(Tc-Ta), T3=(Td-Ta), T4=(Te-Ta)의 조합 중 하나 이상을 포 함하는 것을 특징으로 하는 혈압측정 방법.
8. 제 7항에 있어서, 혈압과 맥파전달의 회귀식은 다음의 [수학식]으로 표현되는 것을 특징으로 하는 혈압측정 방법.

   

   상기 c1 내지 c5는 회귀분석을 통해 얻어진 상수.
9. 피측정자의 심전도를 측정하기 위한 복수개의 심전도측정용 전극 및, 맥파를 측정하기 위한 PPG 센서와;

   피측정자의 몸무게, 키, 팔길이, 나이, 성별을 포함하는 신체적인 특성 요소 중 적어도 하나 이상을 입력하기 위한 신체정보 입력부와;

   상기 심전도측정용 전극 및 PPG 센서의 측정값과 상기 신체정보 입력부를 통한 신체적인 특성 요소를 근거로 피측정자의 맥파전달시간, 맥파분석 정보를 구하고, 상기 입력 받거나 구한 값들을 회귀식

   

   에 적용하여 혈압값을 산출하는 중앙처리장치와;

   상기 중앙처리 장치가 산출한 혈압값을 표시하는 표시부를 포함하여 구성하며,

   여기서, 상기 C1 내지 C4는 회귀분석을 통해 얻어진 상수인 것을 특징으로 하는 혈압측정 장치.
10. 제 9항에 있어서, 상기 중앙처리 장치는,

    맥파를 1차 미분한 파형을 분석하여 맥박수를 얻고, 상기 맥파를 2차 미분한 파형을 통해 얻어진 복수의 피크값들을 기설정된 조합에 의해 조합하여 혈관노화도 정보와 상기 2차 미분한 파형의 각 피크값들 간의 시간 차이를 산출한 정보를 포함하는 맥파분석 정보를 얻으며, 상기 측정된 심전도의 R파로부터 상기 측정된 맥파의 2차 미분 최대점까지의 시간을 산출하여 맥파전달시간을 얻는 것을 특징으로 하는 혈압측정 장치.
11. 제 9항에 있어서, 상기 중앙처리 장치가 혈압값을 산출하기 위해 사용하는 회귀식은 맥파 전달시간, 맥파분석정보, 피측정자가 입력한 신체적인 특성 요소들 각각에 회귀분석을 통해 얻어진 계수들을 적용하여 더한 것을 특징으로 하는 혈압측정 장치.
12. 제 9항에 있어서, 상기 심전도측정용 전극은 2개 이상의 이격된 전극으로 이루어지며, 사용자의 양 손이 각각 접촉되도록 배치된 것을 특징으로 하는 혈압측정 장치.
13. 제 9항에 있어서, 상기 PPG 센서는 상기 심전도측정용 전극 중 하나에 인접 배치되거나, 상기 전극 내부 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 혈압측정 장치.
14. 제 9항에 있어서, 상기 심전도측정용 전극은 한 쌍의 전극이 사용자의 일측 손에 동시 접촉될 수 있도록 배치되고, 다른 하나의 전극이 사용자의 타측 손에 접촉될 수 있도록 배치되며, 상기 PPG 센서는 상기 다른 하나의 전극과 동시에 타측 손에 접촉될 수 있도록 배치된 것을 특징으로 하는 혈압측정 장치.
15. 제 9항에 있어서, 상기 신체정보 입력부, 중앙처리 장치, 및 표시부는 이동통신 단말기를 구성하는 입력부와 중앙처리 장치 및 표시부에 대응 구성되며, 상기 심전도측정용 전극 및 PPG 센서는 상기 이동통신 단말기의 외부에 노출되도록 배치된 것을 특징으로 하는 혈압측정 장치.

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