KR100855473B1 - 심장박동 데이터에 기초하여 호흡조절을 유도하기 위한장치 및 방법 - Google Patents

심장박동 데이터에 기초하여 호흡조절을 유도하기 위한장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

자율신경 균형과 이를 통한 스트레스 완화 및 신체의 면역력을 강화시키기 위한 호흡조절 유도 장치 및 방법이 개시된다. 이 장치 및 방법은 심장박동에 따라 변화하는 사용자의 신체정보로부터 얻어진 심장박동률 변동 전력 스펙트럼 및 심장박동수를 포함하는 심장박동 데이터를 제공하고, 심장박동 데이터를 주파수 영역별로 분석하여 교감신경의 활성도와 부교감신경의 활성도를 산출하고, 두 활성도의 비로부터 스트레스 지수를 형성하고, 심장박동수 및 스트레스지수 중 적어도 하나에 기초하여 기준시간당 적정 호흡수를 결정하고, 심장박동수 또는 적정 호흡수에 기초하여 사용자의 호흡조절을 유도한다.
호흡조절, 심장, 박동, 교감신경, 부교감신경, 호흡수

Description

심장박동 데이터에 기초하여 호흡조절을 유도하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING RESPIRATION RATE BASED ON PULSE BEAT DATA OF HEART}
도 1은 본 발명에 따른 호흡조절 유도 장치의 구성을 보이는 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 호흡조절 유도 장치의 심장박동 데이터 제공부의 구성을 보이는 블록도.
도 3a는 투과형 광센서의 구성과 원리를 설명하기 위한 개략도.
도 3b는 반사형 광센서의 구성과 원리를 설명하기 위한 개략도.
도 3c는 투과형 광센서의 이용상태를 보이는 사진.
도 4는 심장의 수축 및 이완에 따른 광혈류 측정신호를 보이는 그래프.
도 5는 디스플레이, 사용자 입력 및 호흡조절 유도를 위한 패널의 구현예를 보이는 평면도.
도 6은 디스플레이 및 호흡조절 유도를 위한 패널의 구현예를 보이는 평면도.
본 발명은 호흡조절 유도 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 심장박동 데이터 기초하여 호흡조절을 유도하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
체내 세포와 백혈구는 자율신경의 지배를 받아 신체기능의 효율성을 높이고 질병에 대한 저항력을 갖는다. 그러나, 한가지 일에 무리하거나 지나치게 고민하고 규칙적으로 운동하지 않고, 과음, 과식 등 불균형적인 생활을 하게 되면, 교감신경이 지나치게 긴장상태에 빠지거나 부교감 신경이 지나치게 우위를 차지하여, 자율신경의 균형이 깨져 신체의 상태가 불량해지고 적절한 면역력을 유지하지 못한다. 현대인이 걸리는 질병의 90% 정도는 자율신경의 불균형에 의한 백혈구의 과잉반응에서 유발된다.
이에 따라, 자율신경의 균형을 조절하고 스트레스를 완화시킬 수 있는 장치 및 방법이 필요하다.
본 발명은 심장박동 데이터에 기초하여 호흡조절을 유도하는 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 호흡조절 유도 장치는, 심장박동에 따라 변화하는 사용자의 신체정보로부터 얻어진 심장박동률 변동 전력 스펙트럼 및 심장박동수를 포함하는 심장박동 데이터의 제공부; 상기 심장박동 데이터를 주파수 영역별로 분석하여 교감신경의 활성도와 부교감신경의 활성도를 산출하고, 두 활성도의 비로부터 스트레스 지수를 형성하는 자율신경 균형 분석부; 상기 심장박동수 및 상기 스트레스지수 중 적어도 하나에 기초하여 기준시간당 적정 호흡수를 제공하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어에 따라 상기 사용자의 호흡리듬을 제공하기 위한 호흡조절 유도부를 포함한다.
본 발명에 따른 호흡조절 유도 방법은, 심장박동에 따라 변화하는 사용자의 신체정보로부터 얻어진 심장박동률 변동 전력 스펙트럼 및 심장박동수를 포함하는 심장박동 데이터를 제공하고, 상기 심장박동 데이터를 주파수 영역별로 분석하여 교감신경의 활성도와 부교감신경의 활성도를 산출하고, 두 활성도의 비로부터 스트레스 지수를 형성하고, 상기 심장박동수 및 상기 스트레스지수 중 적어도 하나에 기초하여 기준시간당 적정 호흡수를 결정하고, 상기 심장박동수 또는 상기 적정 호흡수에 기초하여 상기 사용자의 호흡조절을 유도하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 호흡조절 유도 방법은, 심장박동에 따라 변화하는 사용자의 신체정보로부터 얻어진 심장박동률 변동 전력 스펙트럼 및 심장박동수를 포함하는 심장박동 데이터를 제공하고, 상기 심장박동 데이터를 주파수 영역별로 분석하여 교감신경의 활성도와 부교감신경의 활성도를 산출하고, 두 활성도의 비로부터 스트레스 지수를 형성하고, 상기 심장박동수 및 상기 스트레스지수 중 적어도 하나에 기초하여 기준시간당 적정 호흡수를 결정하고, 상기 호흡조절 유도장치는 상기 사용자로부터 희망 호흡수를 입력받고, 상기 심장박동수, 상기 적정 호흡수 및 상기 희망호흡수 중 어느 하나에 기초하여 상기 사용자의 호흡조절을 유도하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 호흡조절 유도 장치 및 방법은 심장박동 데이터에 기초하여 교감신경과 부교감신경의 활성도를 산출하고, 산출된 교감신경과 부교감신경의 활성도로부터 자율신경의 균형을 평가하여 제공하며, 자율신경의 균형을 위한 호흡조절을 유도한다.
널리 알려진 바와 같이, 호흡을 통해 자율신경을 조절할 수 있다. 특히, 호흡은 의식, 무의식적으로 진행되어 자율신경 균형을 유도할 수 있다. 즉, 호흡으로 교감신경과 부교감신경을 모두 지배할 수 있다. 일반적으로, 교감신경이 우위인 긴장된 상태에서는 호흡이 빨라지고, 부교감신경이 우위인 상태에서는 호흡이 느슨해진다. 천천히 숨을 들이쉬고 내쉬는 심호흡을 반복하면, 인체 내에 많은 양의 산소가 공급되었다는 정보가 자율신경에 전달되고, 부교감신경이 활성되어 체내에서 질병의 발생 및 악화를 억제하는 호르몬의 생성이 유도된다. 본 발명에 따른 호흡조절 유도 장치 및 방법은 면역체계를 활성화시킬 수 있도록 자율신경 균형을 평가하고, 자율신경의 균형을 유도할 수 있는 적절한 호흡수(호흡주기)를 사용자에게 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 심장박동 데이터에 기초한 호흡조절 유도 장치 및 방법을 보다 상세하게 설명한다.
도 1에 보인 바와 같이, 본 발명에 따른 호흡조절 유도 장치(100)는 심장박동에 따라 변화하는 사용자의 신체정보로부터 얻어진 심장박동률 변동 전력 스펙트럼 및 심장박동수를 포함하는 심장박동 데이터의 제공부(10), 심장박동 데이터를 주파수 영역별로 분석하여 교감신경의 활성도와 부교감신경의 활성도를 산출하고, 두 활성도의 비로부터 스트레스 지수를 형성하는 자율신경 균형 분석부(20), 심장박동수 및 스트레스지수 중 적어도 하나를 고려하여 기준시간당 호흡수를 제공하는 제어부(30) 및 제어부(30)의 제어에 따라 사용자의 호흡리듬을 제공하기 위한 호흡조절 유도부(40)를 포함한다. 설계에 따라, 호흡조절 유도장치(100)는 제어부(30)의 제어에 따라 심장박동수, 스트레스 지수, 기준시간당 호흡수를 디스플레이하기 위한 디스플레이부(60)와 사용자로부터 희망 호흡수를 입력받기 위한 사용자 입력부(70) 중 적어도 하나를 더 포함한다.
실시예에 따라, 심장박동 데이터 제공부(10)는 사용자 말초혈관에서의 혈액용적의 변화 주기(말초혈관의 수축과 이완 주기)를 측정하고, 수축과 이완 주기에 기초하여 사용자의 심장박동 데이터(맥박 데이터)를 형성한다. 심장박동수 제공부(10)는 2분 이상의 주기로 일정시간 동안의 심장박동 데이터를 제공한다. 도 2에 보인 바와 같이, 심장박동 데이터 제공부(10)는 혈관의 수축, 이완에 따른 혈액용적 변화를 나타내는 광전류를 출력하는 광센서(11), 광센서 구동부(12), 광센서(12)로부터 입력되는 광전류에 기초하여 광혈류신호를 형성하기 위한 전류-전압 변환기(13), 광혈류신호 증폭부(14), 증폭된 광혈류신호의 노이즈(noise)를 제거하기 위한 필터부(15), 노이즈가 제거된 광혈류신호를 디지털 데이터로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환부(analog-digital converter)(16), 디지털 데이터로부터 수축과 이완의 시작 및 종료를 나타내는 다수의 피크 데이터를 검출하기 위한 피크 검출부(17), 다수의 피크 데이터에 기초하여 심작박동을 분석하고 심장박동 데이터를 출력하는 심장박동 분석부(180)를 포함한다. 도 4는 심장의 수축과 이완에 따른 광혈류 신호를 보인다.
혈액용적 변화를 측정하기 위해 도 3a에 보이는 투과형 광센서 또는 도 3b에 보이는 반사형 형 광센서를 이용한다. 투과형 광센서는 대상체, 예컨대 손가락을 사이에 두고 마주보는 발광소자와 수광소자를 포함한다. 도 3c는 투과형 광센서의 이용상태를 보이는 사진이다. 발광소자로부터 출력된 후 손가락을 투과한 광은 수광소자에 도달한다.투과형 광센서는 혈액용적 변화에 따라 손가락을 투과하는 광량과 수광소자에 도달하는 광량이 변화하는 원리를 이용한다. 반사형 광센서는 나란하게 배치된 발광소자와 수광소자를 포함한다. 발광소자로부터 출력된 후 손가락에서 반사되는 광은 수광소자에 도달한다. 반사형 광센서는 혈액용적에 변화에 따라 반사되는 광량과 수광소자에 도달하는 광량이 변화하는 원리를 이용한다.
심장박동 데이터 제공부(30)는 호흡조절 유도전 사용자의 심장박동 데이터를 제공하고, 호흡조절 유도 중 주기적으로 사용자의 심장박동 데이터를 제공한다. 즉, 심장박동 데이터 제공부(30)는 호흡리듬에 따라 호흡을 조절하는 사용자의 심장박동 데이터를 주기적으로 제공한다. 이러한 피드백(feedback)에 따라 호흡조절에 따른 심장박동의 변화를 쉽게 파악할 수 있다.
자율신경 균형 분석부(20)는 심장박동 데이터의 주파수를 분석하여 교감신경과 부교감신경 각각의 에너지 수준(활성도)를 산출하고, 산출된 교감신경과 부교감신경의 활성도에 기초하여 자율신경의 균형도를 분석하고, 그 결과를 출력한다. 자율신경 균형 분석부(20)는 주기적으로 제공되는 심장박동 데이터를 주파수 영역별로 분석한다. 0.2Hz에서0.4Hz에 이르는 고주파 영역(HF, high frequency)의 세기는 부교감신경의 활성도를 나타내고, 0.032Hz에서 0.2Hz에 이르는 저주파 영역(LF, low frequency)의 세기는 교감신경의 활성도를 나타낸다. 자율신경 균형 분석부(20)는 다음의 수학식 1과 같이 정의되는 부교감 신경의 활성도와 교감신경의 활성도의 비(R)와 전체 심장박동률(Heat Reclaim Ventilation, HRV) 변동 전력 스펙트럼의 에너지 수준(TP)을 기준으로, 스트레스 지수를 형성한다. 예컨대, TP의 에너지 수준과 함께 LF가 4이하이고, HF가 6이하면 "주의", HF가 4이하이고 LF가 8이하면 "높음", 혹은 HF가 6이하고 LF가 6이하면 "높음", HF가 6이하이고 LF가 8이하면 "적정" 또는 HF가 8이하이고 LF가 8이하면 "적정", HF가 8이하이고 LF가 8이상이면 "낮음" 혹은 HF가 8이하고 LF가 6이하면 낮음 혹은 HF가 8이상이면 LF와는 상관없이 "낮음"으로 스트레스 지수를 형성한다.
Figure 112006080731201-pat00001
제어부(30)는 심장박동수에 근거하여 기준시간당(분당) 호흡수를 결정한다. 기준시간당 호흡수는 심장박동수와 반비례한다. 또는 제어부(30)는 스트레스 지수에 근거하여 기준시간당 호흡수를 결정한다. 스트레스 지수가 적정일 때의 호흡수를 최적 호흡수라 하면, 낮음일 때는 최적 호흡수 보다 많은 호흡수, 높음일 때는 최적 호흡수 보다 적은 호흡수, 주의수준일 때는 높음일 때 보다 더 적은 호흡수를 기준시간당 호흡수로서 제공한다. 또는 제어부(30)는 심장박동수와 스트레스 지수에 근거하여 기준시간당 호흡수를 결정한다. 예컨대, 스트레스 지수는 적정이나 심장 박동수가 과도하게 낮을 때는 최적 호흡수 보다 많은 호흡수를 제공한다. 한편, 호흡조절 유도장치(100)가 사용자로부터 희망 호흡수를 입력받기 위한 사용자 입력부를 더 포함하는 경우, 제어부(30)는 기준시간당 호흡수와 희망호흡수의 차의 크기에 따라 희망 호흡수의 승인여부를 결정한다. 기준시간당 호흡수와 희망호흡수의 차가 일정기준 보다 클때 제어부(20)는 희망호흡수를 승인하지 않는다.
호흡조절 유도부(40)는 제어부(30)의 제어에 따라 사용자의 호흡리듬을 제공한다. 호흡조절 유도부(40)는 기준시간당 호흡수 또는 희망 호흡수에 따라 사용자가 시각, 청각 또는 통각으로 호흠 리듬을 느끼면서 쉽게 호흡을 할 수 있도록 들숨과 날숨의 시점을 알린다. 호흡조절 유도부(40)는 평판 디스플레이 장치, 시계, 메트로놈, 진동자 등으로 구현된다.
저장부(50)는 제어부(30)의 제어에 따라 심장박동 데이터, 교감신경 및 부교감신경 각각의 활성도, 스트레스 지수 및 기준시간당 호흡수를 저장한다.
디스플레이부(60)는 심장박동수, 자율신경 균형도, 스트레스 지수, 기준시간당(분당) 호흡수, 최적 호흡수 등을 표시한다. 디스플레이부(60)는 희망 호흡수도 디스플레이할 수 있다. 디스플레이부(60)는 LCD(liquid crystal display), LED(Light emitting device) 등으로 구현된다.
사용자로부터 희망 호흡수를 입력받기 위한 사용자 입력부(70)는 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 5에 보인 바와 같이 디스플레이부, 사용자 입력부 및 호흡조절 유도부를 하나의 패널로 구현할 수 있다. 도 5는 사용자 입력부가 '호흡수 조절' 증가(△) 감소(▽) 버튼 형태로 구현됨을 보이고 있다. 그러나, 사용자 입력부)의 형태는 이 에 한정되는 것은 아니고, 키보드 등으로 사용자 입력부를 구현하여 사용자가 희망하는 호흡수를 입력받을 수도 있다. 도 5는 호흡조절 유도부가 메트로놈 형태로 구현된 것을 보인다.
도 6에 보인 바와 같이 디스플레이부 및 호흡조절 유도부를 하나의 패널로 구현할 수 있다. 도 6에서 도면부호 '51'는 기준시간당(분당) 호흡수, '52'는 심장 박동수, '53'는 스트레스 지수를 나타낸다. 도 6은 호흡조절 유도부가 들숨과 날숨의 시작을 시각적으로 구현한 예를 보인다.
본 발명에 따른 호흡조절 유도 방법에 따르면, 심장박동에 따라 변화하는 사용자의 신체정보로부터 얻어진 심장박동률 변동 전력 스펙트럼 및 심장박동수를 포함하는 심장박동 데이터를 제공하고, 심장박동 데이터를 주파수 영역별로 분석하여 교감신경의 활성도와 부교감신경의 활성도를 산출하고, 두 활성도의 비로부터 스트레스 지수를 형성하고, 심장박동수 및 스트레스지수 중 적어도 하나에 기초하여 기준시간당(분당) 호흡수를 결정하고, 심장박동수 또는 기준시간당 호흡수에 기초하여 사용자의 호흡조절을 유도한다.
또한, 본 발명의 호흡조절을 유도하는 방법에 따르면, 심장박동에 따라 변화하는 사용자의 신체정보로부터 얻어진 심장박동률 변동 전력 스펙트럼 및 심장박동수를 포함하는 심장박동 데이터를 제공하고, 심장박동 데이터를 주파수 영역별로 분석하여 교감신경의 활성도와 부교감신경의 활성도를 산출하고, 두 활성도의 비로부터 스트레스 지수를 형성하고, 심장박동수 및 스트레스지수 중 적어도 하나에 기초하여 기준시간당 호흡수를 결정하고, 호흡조절 유도장치는 사용자로부터 희망 호흡수를 입력받고, 심장박동수, 기준시간당 호흡수 및 희망호흡수 중 어느 하나에 기초하여 사용자의 호흡조절을 유도한다. 희망호흡수를 입력받은 후, 기준시간당 호흡수와 희망호흡수의 차의 크기에 따라 희망 호흡수의 승인여부를 결정한다.
본 발명에 따른 호흡조절 유도 장치 및 방법을 이용함으로써, 사용자는 자신의 자율신경 균형도를 파악할 수 있으며, 호흡을 조절하고, 호흡조절에 따라 변화하는 심장박동수로부터 자율신경의 균형 변화를 파악할 수 있다. 이러한 피드백(feedback)을 통해 사용자는 자신의 신체상태를 객관적으로 파악할 수 있다. 나아가, 체내에서 자율신경의 활동과 리듬을 조절할 수 있고 이로부터 스트레스 완화와 부교감신경의 활성도를 적절히 유지함으로서 전반적인 신체의 컨디션을 좋게 할 수 있으며 면역력을 강화시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 심장박동에 따라 변화하는 사용자의 신체정보로부터 얻어진 심장박동률 변동 전력 스펙트럼 및 심장박동수를 포함하는 심장박동 데이터의 제공부;
    상기 심장박동 데이터를 주파수 영역별로 분석하여 교감신경의 활성도와 부교감신경의 활성도를 산출하고, 두 활성도의 비로부터 스트레스 지수를 형성하는 자율신경 균형 분석부;
    상기 심장박동수 및 상기 스트레스지수 중 적어도 하나를 고려하여 기준시간당 호흡수를 제공하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 사용자의 호흡리듬을 제공하기 위한 호흡조절 유도부
    를 포함하는 호흡조절 유도장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 심장박동수, 상기 스트레스 지수, 상기 기준시간당 호흡수를 디스플레이하기 위한 디스플레이부를 더 포함하는, 호흡조절 유도 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 상기 호흡리듬을 디스플레이하는 호흡조절 유도장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 심장박동 데이터, 상기 교감신경 및 부교감신경 각각의 활성도, 상기 스트레스 지수 및 상기 기준시간당 호흡수를 저장하기 위한 저장부를 더 포함하는 호흡조절 유도장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 심장박동 데이터 제공부는 상기 호흡리듬에 따라 호흡을 조절하는 사용자의 심장박동 데이터를 주기적으로 제공하는, 호흡조절 유도장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 호흡조절 유도장치는 상기 사용자로부터 희망 호흡수를 입력받기 위한 사용자 입력부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 희망 호흡수의 승인여부를 결정하고,
    상기 호흡조절 유도부는 상기 제어부의 제어에 따라 상기 기준시간당 호흡수 또는 상기 희망 호흡수를 고려하여 상기 사용자의 호흡조절을 유도하는 호흡조절 유도 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 기준시간당 호흡수와 상기 희망호흡수의 차의 크기에 따라 상기 희망 호흡수의 승인여부를 결정하는, 호흡조절 유도 장치.
  8. 심장박동에 따라 변화하는 사용자의 신체정보로부터 얻어진 심장박동률 변동 전력 스펙트럼 및 심장박동수를 포함하는 심장박동 데이터를 제공하고,
    상기 심장박동 데이터를 주파수 영역별로 분석하여 교감신경의 활성도와 부교감신경의 활성도를 산출하고, 두 활성도의 비로부터 스트레스 지수를 형성하고,
    상기 심장박동수 및 상기 스트레스지수 중 적어도 하나를 고려하여 기준시간당 호흡수를 결정하고,
    상기 심장박동수 또는 상기 기준시간당 호흡수를 고려하여 상기 사용자의 호흡조절을 유도하는 것을 포함하는 호흡조절 유도 방법.
  9. 심장박동에 따라 변화하는 사용자의 신체정보로부터 얻어진 심장박동률 변동 전력 스펙트럼 및 심장박동수를 포함하는 심장박동 데이터를 제공하고,
    상기 심장박동 데이터를 주파수 영역별로 분석하여 교감신경의 활성도와 부교감신경의 활성도를 산출하고, 두 활성도의 비로부터 스트레스 지수를 형성하고,
    상기 심장박동수 및 상기 스트레스지수 중 적어도 하나를 고려하여 기준시간당 호흡수를 결정하고,
    상기 호흡조절 유도장치는 상기 사용자로부터 희망 호흡수를 입력받고,
    상기 심장박동수, 상기 기준시간당 호흡수 및 상기 희망호흡수 중 어느 하나를 고려하여 상기 사용자의 호흡조절을 유도하는 것을 포함하는 호흡조절 유도 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 희망 호흡수의 승인여부를 결정하는 단계를 더 포함하는, 호흡조절 유도 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기준시간당 호흡수와 상기 희망호흡수의 차의 크기에 따라 상기 희망 호흡수의 승인여부를 결정하는, 호흡조절 유도 방법.
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