KR101218200B1 - 인체 장착형 센서셋 및 그 동작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서셋 및 그 동작방법을 제공한다. 이 센서셋은 머리 장착형 센서셋 구조물, 센서셋 구조물에 장착되어 착용자의 머리에서 생체 신호를 검출하는 생체 신호 검출 센서들, 센서셋 구조물 또는 생체 신호 검출 센서들에 장착되어 착용자의 머리 움직임을 검출하는 가속도 센서,및 센서셋 구조물 또는 생체 신호 검출 센서들에 장착되어 착용자에게 역학적 자극을 제공하는 진동 자극기를 포함한다.

Description

인체 장착형 센서셋 및 그 동작 방법{WEARABLE SENSOR-SET AND OPERATING METHOD OF THE SMAE}

본 발명은 센서셋에 관한 것으로, 더 구체적으로, 인간-기계 상호작용을 위해 인체에서 기계로 전달되는 각종 신호를 얻기 위한 센서와 기계에서 인체로 전달되는 자극 요소를 포함하는 인체 장착형 센서셋 장치에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 산업원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제번호-10033514 , 과제명: 감성형 멀티모달 u-Learning device 개발].

인간-기계 인터페이스(human-machine interface)는 인간과 기술이 만나는 계면을 지칭한다. 오늘날 널리 사용되는 대부분의 기계 장치들은 인간-기계 인터페이스가 고려되어 있다. 제품 디자인에서 제품 기능 달성을 위한 기술 설계까지 인간-기계 인터페이스는 다양한 관련 분야에 영향을 미친다. 인간-기계 인터페이스 중에서 최근에서는 멀티모달 인터페이스가 정보 통신 단말기의 발달과 함께 널리 통용되고 있다.

멀티모달 인터페이스는 인간이 기계에게 정보를 주는 수단이 음성, 키보드, 펜 등으로 다양한 수단을 갖추고, 기계가 인간에게 주는 정보 역시 음성, 오디오, 비디오 등과 같은 다양한 수단을 갖추는 인터페이스를 지칭한다.

멀티모달 인터페이스를 포함한 인간-기계 인터페이스 수단은 주로 개별적 인터페이스 요소별 연구 개발되어 왔다.

본 발명은 인터페이스 수단으로 인체로부터 얻는 생체신호, 인체 운동을 감지할 수 있는 가속도 센서, 그리고 인체에 기계의 정보를 제공하는 진동 자극기 등을 포함하는 멀티모달 인터페이스 센서셋을 제공한다. 상기 센서셋 장치는 인간-기계 상호작용에 있어서 감성 기반 디지털 콘텐츠 운용의 중요한 수단일 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 인간-기계 상호작용을 위한 감성 기반 인터페이스 수단으로 생체 신호 센서, 가속도 센서, 또는 자극기 등을 구비한 센서셋을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋은 인체 장착을 위한 구조물, 상기 구조물에 장착되고 생체 신호를 검출하는 생체신호 검출 센서, 상기 구조물에 장착되고 X-Y-Z 세 방향의 사용자 움직임을 검출할 수 있는 가속도 센서, 및 상기 구조물에 장착되고 상기 생체신호 검출 센서 및 가속도 센서의 출력 신호를 처리하여 사용자에게 경고 및 지시를 위한 진동 자극기를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 생체신호 검출 센서는 생체 전기 신호 검출을 위해 인체의 3곳 이상의 서로 다른 위치에 부착되는 생체 전극들을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 생체신호 검출 센서는 1채널 이상의 맥파 신호(PPG) 및 상기 맥파 신호를 미분하여 추출한 가속도 맥파 신호(SDPTG) 중에서 적어도 하나를 검출하기 위한 광센서를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 생체신호 검출 센서는 생체 전기 신호 검출을 위해 인체의 3곳 이상의 서로 다른 위치에 부착되는 생체 전극들, 및 1채널 이상의 맥파 신호(PPG) 및 가속도 맥파 신호(SDPTG) 중에서 적어도 하나를 검출하기 위한 광센서를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 생체신호 검출 센서는 생체 전기 신호 검출을 위해 인체의 3곳 이상의 서로 다른 위치에 부착되는 생체 전극들, 1채널 이상의 맥파 신호(PPG) 및 가속도 맥파 신호(SDPTG) 중에서 적어도 하나를 검출하기 위한 광센서, 및 인체의 온도를 계측하기 위해 1채널 이상의 온도 센서를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가속도 센서는 X, Y, Z축 방향으로의 직선 운동을 감지할 수 있는 가속도 센서 또는 X, Y, Z축에 대한 회전 또는 기울임 운동을 감지할 수 있는 각속도 센서로 구성되어 1채널 이상의 출력 신호를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 진동 자극기는 진동 모터를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋은 머리 장착형 센서셋 구조물, 상기 센서셋 구조물에 장착되어 착용자의 머리에서 생체 신호를 검출하는 생체 신호 검출 센서들, 상기 센서셋 구조물 또는 상기 생체 신호 검출 센서들에 장착되어 착용자의 머리 움직임을 검출하는 가속도 센서,및 상기 센서셋 구조물 또는 상기 생체 신호 검출 센서들에 장착되어 착용자에게 역학적 자극을 제공하는 진동 자극기를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 생체 신호 검출 센서들은 서로 다른 위치에서 머리 피부 표면에 직접적으로 접촉될 수 있는 3개 이상의 생체 전극들을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서셋은 이마에 부착되는 접지 전극을 더 포함하고, 상기 생체 전극들은 상기 접지 전극과 이격되고 왼쪽 이마에 부착되는 제1 채널 전극, 상기 접지 전극과 이격되고 오른쪽 이마에 부착되는 제2 채널 전극,및 한쪽 귀 주변 부위에 부착되는 기준 전극을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서셋 구조물은 상기 생체 신호 검출 센서들을 고정하고 연결하는 연결 지지대들, 및 적어도 2개의 상기 연결 지지대들을 고정하는 결합 구조체를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 결합 구조체는 이마 부위에 배치되는 제1 결합 구조체 및 뒤통수 부위에 배치되는 제2 결합 구조체를 포함하고, 상기 연결 지지대는 상기 제1 결합 구조체와 상기 제2 결합 구조체를 서로 연결하는 중앙 연결 지지대를 더 포함하고, 상기 제1 결합 구조체는 왼쪽 이마 부위에 배치되는 제1 생체 신호 센서에 연결된 제1 연결 지지대 및 오른쪽 이마 부위에 배치되는 제2 생체 신호 센서에 연결된 제2 연결 지지대를 통하여 지지되고, 상기 제2 결합 결합 구조체는 한쪽 귀 주위에 배치되는 제3 생체 신호 센서에 연결된 제3 연결 지지대 및 다른 쪽 귀 주위에 배치되는 제4 생체 신호 센서에 연결된 제4 연결 지지대를 통하여 지지된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 연결 지지대들 또는 상기 중앙 연결 지지대는 소성 또는 탄성의 특성을 지닌 재질로 구성되어 센서셋 구조물의 형태와 크기를 변경할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 연결 지지대들은 소성 또는 탄성을 제공하는 금속물, 전기 신호 전달을 위한 전기 도선, 및 상기 금속물 및 상기 전기 도선을 둘러싸는 유연한 재질의 외피를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 생체 신호 검출 센서는 생체 전기 신호를 검출하는 생체 전극, 상기 생체 전극 상에 배치되고 상기 생체 전극과 분리결합할 수 있는 전극 커넥터, 상기 전극 커넥터 상에 배치되는 하우징, 및 상기 하우징 상에 배치되는 인쇄회로 기판을 포함하고, 상기 하우징은 상기 인쇄 회로 기판을 감싸도록 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 생체 신호 검출 센서는 생체 역학 신호를 검출하는 광센서, 및 체온을 검출하는 온도 센서 중에서 적어도 하나를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 생체 전극은 중심에 관통홀을 가지고,상기 광센서는 상기 관통홀 상에 배치된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 체온 센서는 머리 피부의 온도를 계측하기 위해 상기 생체 전극에 밀착하여 배치된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서셋은 상기 제1 채널 전극의 출력 신호와 상기 기준전극의 출력 신호의 차이를 차동 증폭하고 처리하여 왼쪽 뇌파 신호를 추출하고, 상기 제2 채널 전극의 출력 신호와 상기 기준전극의 출력 신호의 차이를 차동 증폭하고 처리하여 오른쪽 뇌파 신호를 추출하는 처리부를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서셋은 상기 제2 채널 전극의 출력 신호와 상기 기준전극의 출력 신호의 차이를 차동 증폭하고 처리하여 위-아래 안전도 신호를 추출하고, 상기 제2 채널 전극의 출력 신호와 상기 제1 채널 전극의 출력 신호의 차이를 차동 증폭하고 처리하여 좌-우 안전도 신호를 추출하는 처리부를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 생체 전극들은 상기 기준 전극의 반대쪽 귀 주위에 위치하는 보조전극을 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서셋은 상기 보조전극의 출력 신호와 상기 기준전극의 출력 신호의 차이를 차동 증폭하고 처리하여 심전도 신호를 추출하는 처리부를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광센서는 머리 피부에 입사되는 광을 발생시키는 발광 소자, 및 머리 피부에서 반사 또는 산란되는 광을 검출하는 수광소자를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광센서는 상기 발광 소자와 상기 수광소자기 사이에 직접적인 광간섭이 생기지 않도록 차광막을 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광센서는 맥파 신호를 검출하고, 상기 센서셋은 상기 맥파 신호를 2차 시간 미분하여 가속도 맥파 신호를 추출하는 처리부를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 처리부는 상기 가속도 맥파 신호에서 가속도 맥파 신호의 꼭지점에 동기되어 상승 또는 하강 모서리를 갖는 심박펄스 신호를 생성하는 피크 검출기를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋은 머리 장착형 센서셋 구조물, 상기 센서셋 구조물에 장착되어 착용자의 머리에서 생체 신호를 검출하는 생체 신호 검출 센서들, 상기 센서셋 구조물 또는 상기 생체 신호 검출 센서들에 장착되어 착용자의 머리 움직임을 검출하는 가속도 센서,및 상기 센서셋 구조물 및 상기 생체 신호 검출 센서들에 구비되어 착용자에게 역학적 자극을 제공하는 진동 자극기를 포함한다. 상기 센서셋은 상기 생체 신호 검출 센서들은 이마에 부착되는 접지 전극, 상기 접지 전극과 이격되고 왼쪽 이마에 부착되는 제1 채널 전극, 상기 접지 전극과 이격되고 오른쪽 이마에 부착되는 제2 채널 전극,및 귀 주변 부위에 부착되는 기준 전극을 포함한다.

상기 센서셋의 동작 방법은 상기 제1 채널 전극의 출력 신호와 상기 기준전극의 출력 신호의 차이를 증폭하여 제1 예비 뇌전도 신호를 생성하는 단계,및 상기 제2 채널 전극의 출력 신호와 상기 기준전극의 출력 신호의 차이를 증폭하여 제2 예비 뇌전도 신호를 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서셋의 동작 방법은 상기 제1 예비 뇌전도 신호와 상기 제2 예비 뇌전도 신호의 합과 소정의 뇌파기준전압을 비교하여 뇌파상태논리 신호를 생성하는 단계를 더 포함한다. 상기 뇌파상태논리 신호는 상기 합이 상기 뇌파 기준전압 이하이면 논리 영으로 설정되고, 상기 합이 상기 뇌파 기준전압을 초과하면 논리 1로 설정된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서셋의 동작 방법은 광센서를 이용하여 맥파 신호를 측정하는 단계, 상기 맥파 신호를 미분하여 가속도 맥파 신호를 생성하는 단계, 및 상기 가속도 맥파 신호의 크기와 소정의 맥파기준값을 비교하여 맥파상태논리 신호를 생성하는 단계를 더 포함한다. 상기 맥파상태논리 신호는 상기 맥파 신호의 크기가 맥파기준값 이상이면 논리 0으로 설정되고, 상기 맥파상태논리 신호는 상기 맥파 신호의 크기가 맥파기준값 미만이면 논리 1로 설정된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서셋의 동작 방법은 온도 센서를 이용하여 체온을 측정하는 단계, 및 상기 체온 값과 소정의 체온 기준값을 비교하여 체온상태논리 신호를 생성하는 단계를 더 포함한다. 상기 체온상태논리 신호는 측정한 체온 값이 체온 기준값 이상이면 논리 0으로 설정되고, 상기 체온상태논리 신호는 측정한 체온 값이 체온 기준값 미만이면 논리 1으로 설정된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서셋의 동작 방법은 상기 체온상태논리 신호, 상기 맥파상태논리 신호, 및 상기 뇌파상태논리 신호 중에서 적어도 둘을 이용하여 머리에 센서셋의 착용 여부를 판단하는 단계를 더 포함한다. 상기 체온상태논리 신호, 상기 맥파상태논리 신호, 및 상기 뇌파상태논리 신호 중에서 둘 이상이 동시에 논리 0이면 센서셋은 머리에 착용된 것으로 판단된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서셋의 동작 방법은 머리에 착용된 것으로 판단되고, 상기 체온상태논리 신호, 상기 맥파상태논리 신호, 및 상기 뇌파상태논리 신호 중에서 하나가 논리 1 상태에 있을 경우, 상기 센서셋을 올바르게 착용할 것을 요청하는 착용 경고를 진동 자극을 이용하여 착용자에게 진동 자극을 제공하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서셋의 동작 방법은 착용 경고를 착용자에게 진동 자극을 제공한 후 소정의 시간이 경과 후, 상기 체온상태논리 신호, 상기 맥파상태논리 신호, 및 상기 뇌파상태논리 신호 중에서 하나가 논리 1 상태를 유지하는 경우, 고장 상태임을 착용자에게 알리는 고장 경고를 제공하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서셋의 동작 방법은 가속도 센서를 이용하여 상기 착용자의 머리 움직임을 감지하는 단계, 및 상기 머리 움직임이 소정의 시간 동안 소정의 설정된 회수 이상 발생하면 상기 진동 자극기가 착용자에게 안정 경고를 제공하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서셋의 동작 방법은 가속도 센서를 이용하여 상기 착용자의 머리 움직임을 감지하는 단계, 및 상기 가속도 센서의 0.5Hz 이상의 교류(AC) 성분이 기준치 이상이면 운동성 잡음으로 판단하여 상기 제1 차동 증폭 출력 신호와 상기 제2 차동 증폭 출력 신호의 처리를 중지하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋은 머리 장착형 센서셋 구조물, 및 상기 센서셋 구조물에 장착되어 착용자의 머리에서 생체 신호를 검출하는 생체 신호 검출 센서들을 포함한다. 상기 센서셋 구조물은 상기 생체 신호 검출 센서들을 고정하고 연결하는 연결 지지대들, 및 적어도 2개의 상기 연결 지지대들을 고정하는 결합 구조체를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋은 머리 장착형 센서셋 구조물, 및 상기 센서셋 구조물에 장착되어 착용자의 머리에서 생체 신호를 검출하는 생체 신호 검출 센서들을 포함한다. 상기 생체 신호 검출 센서는 생체 전기 신호를 검출하는 생체 전극, 상기 생체 전극 상에 배치되고 상기 생체 전극과 분리결합할 수 있는 전극 커넥터, 상기 전극 커넥터 상에 배치되는 하우징, 및 상기 하우징 상에 배치되는 인쇄회로 기판을 포함한다. 상기 하우징은 상기 인쇄 회로 기판을 감싸도록 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋은 머리 장착형 센서셋 구조물, 및 상기 센서셋 구조물에 장착되어 착용자의 머리에서 생체 신호를 검출하는 생체 신호 검출 센서들을 포함한다. 생체 신호 검출 센서들은 적어도 3개의 생체 전극들, 및 맥파를 검출하는 광센서를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋은 생체신호 검출 센서 및 가속도 센서를 이용하여 정보를 취득하고, 상기 정보를 처리하여 진동 자극기를 통하여 사용자에게 자극을 줄 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에서 설명한 센서셋 장치의 센서셋(100)을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2에서 설명한 센서셋의 생체신호 검출용 센서(110)를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4의 센서셋의 생체 신호 검출 센서를 설명하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋의 블록도이다.
도 7은 도 6의 센서셋의 접지 전극 및 생체 전극들이 배치되는 위치를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 센서셋의 동작 방법을 설명하는 순서도이다.

오늘날 정보 통신기기의 발달로 인해 생체 신호는 인간-기계 인터페이스의 좋은 소재로 각광받고 있다. 생체 신호는 인간의 생리학적 정보를 포함한다. 따라서, 생체 신호는 인간-기계 인터페이스 수단으로서 매우 중요한 연구 개발 대상이 되어왔다. 그러나, 생체 신호만으로는 인간-기계 상호작용의 효과를 극대화하기에 원천적인 한계가 있다.

생체 신호 또는 생체 전기 신호의 계측의 한계가 있다. 예를 들어, 사용자의 운동성 잡음은 깨끗한 신호의 확보를 저해한다. 운동성 잡음은 생체 신호의 유효하고 중요한 정보를 인터페이스 수단으로 활용하는 것에 걸림돌로 작용한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋은 생체 신호 및 사용자 움직임을 감지한다. 상기 사용자가 움직이는 동안은 상기 생체 신호는 활용되지 않을 수 있다. 한편, 상기 사용자가 정지상태인 동안은 상기 생체 신호는 활용될 수 있다. 따라서, 생체 신호에서 운동성 잡음을 제거할 수 있다.

인간-기계 인터페이스에서 인간의 감성 정보는 대단히 중요하게 취급된다. 올바른 감성 정보를 추출하기 위해서는 생체 신호는 정확히 계측되어야 한다. 측정된 생체 신호에 정보의 오류를 유발하는 잡음이 유입되지 않아야 한다. 만약 잡음이 유입되더라도, 정보의 오류가 잡음에 의한 것임을 알 수 있다면 어느 정도의 잡음 유입은 허용할 수 있다.

잡음 유입을 억제하기 위하여 두 가지 방안을 고려할 수 있다. 일 방안은 생체 신호의 속성이 다른 2종류 이상의 생체 신호들을 동시 계측하여, 생체 신호들의 신호 속성을 참고하여 상호 교차 비교되는 것이다. 다른 방안은 생체 신호 주요 오염원 중의 하나인 사용자 움직임을 계측하여, 생체 신호의 오염 정도와 위치를 파악하는 것이다.

인간-기계 인터페이스 신호로 주로 활용되는 생체 신호들은 생체 전기 신호, 생체 역학 신호, 또는 체온 등이 있다. 상기 생체 전기 신호는 뇌파(EEG), 안전도(EOG), 심전도(ECG), 근전도(EMG), 또는 피부저항(GSR)일 수 있다. 상기 생체 역학 신호는 호흡, 맥파(PPG, 또는 가속도 맥파(SDPTG))일 수 있다.

피부 저항(GSR)을 제외한 생체 전기 신호는 측정 방법과 검출 센서가 모두 동일하다. 따라서, 신호 측정 부위와 사용자의 상태에 따라 생체 전기 신호는 뇌파(EEG), 안전도(EOG), 심전도(ECG), 및 근전도(EMG)가 섞인 형태를 가질 수 있다. 뇌파(EEG), 안전도(EOG), 심전도(ECG), 및 근전도(EMG) 신호를 구별하는 것은 신호의 주파수 대역일 수 있다. 하지만, 서로 조금씩 겹치는 대역이 있기 때문에, 완전히 뇌파(EEG), 안전도(EOG), 심전도(ECG), 및 근전도(EMG) 신호가 완전히 구분되지 못한다. 각 신호들은 조금씩 서로 섞여있는 상태로 있다. 따라서, 필요에 따라 각 신호들을 교차 비교함으로써 특정 신호의 오염 상태와 위치를 파악할 수 있다.

생체 역학 신호는 센서 특성에 따라 주위 환경의 영향을 많이 받는다. 특히, 맥파(PPG) 센서는 주위 광원의 영향을 받을 수 있다. 따라서, 센서 부착 부위와 측정 시 주위에 강한 빛의 존재 여부 등의 주의가 요구된다.

상기 생체 신호는 어떠한 종류든 사용자 움직임의 영향이 가장 크다. 안정된 정적 상황에서 계측한 신호는 인체에서 생성된 것으로 전적으로 간주할 수 있다. 하지만, 사용자가 움직이는 동적 상황에서는 신호의 오염이 상당히 존재할 수 있다. 이때, 오염의 정도와 위치는 가속도 센서의 출력 신호로 파악될 수 있다.

또한, 가속도 센서 자체만으로도 인간-기계 인터페이스의 유용한 정보 입력 수단이 될 수 있다. 인체 운동은 사용자 의지를 반영한다. 따라서, 인체 운동은 인터페이스 입력 수단으로서 유용하다.

사용자의 운동(움직임)은 정보 입력 수단으로 활용될 수 있다. 인간-기계 인터페이스 활용에 있어서 인간에게서 기계로 정보를 입력하는 수단이 사용자의 운동(움직임)이 가능하다. 또한, 기계에서 인간으로 정보출력 수단이 사용자의 운동(움직임)이 될 수도 있다. 기계가 인간에서 정보를 제시하는 방식이 소리나 영상 등이 아니라 사용자 운동(움직임)이 될 수 있다. 진동 자극기(모터)는 사용자 운동을 제공할 수 있다. 상기 센서셋에 정보 출력 수단으로써 자극기를 구비할 수 있다. 진동 자극기는 인간-기계 인터페이스 사용 목적에 따라 다양하게 활용될 수 있다. 게임 콘텐츠에 활용될 경우에는 게임 참여자 자극 수단으로 활용될 수 있다. 또는 학습 콘텐츠에서는 졸음, 산만 등에 따른 경고 수단으로 사용될 수 있다.

주요 생체 신호원에 따라 장착 구조물은 다양한 모습을 가질 수 있다. 예를 들어, 주요 생체 신호이 뇌파(EEG)인 경우, 장착 구조물은 머리에 착용 가능한 형태이다. 생체 전극은 상기 장착 구조물의 적절한 위치에 배치된다. 가속도 센서는 생체 근처에 위치할 수 있다. 상기 가속도 센서는 사용자 움직임에 의한 생체 전극의 움직임을 감지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋 시스템을 설명하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 센서셋(100)은 사용자의 머리에 장착된다. 상기 센서셋의 출력 신호는 인터페이스 장치(200)에 제공되어 처리된다. 상기 인터페이스 장치는 컴퓨터(300)에 연결되고, 상기 컴퓨터는 다양한 소프트웨어를 통하여 상기 센서셋을 구동한다.

도 2는 도 1에서 설명한 센서셋 장치의 센서셋(100)을 설명하는 도면이다.

도 2를 참조하면, 센서셋(100)은 생체신호 검출용 센서(110), 사용자 움직임 검출용 가속도 센서(120), 구조물(140), 처리부(150) 및 사용자 자극용 진동 자극기(130)를 포함한다. 상기 생체신호 검출용 센서(110), 상기 가속도 센서(120), 상기 처리부(150), 및 상기 진동 자극기(130)는 상기 구조물(140)에 구비된다. 상기 생체신호 검출용 센서(110), 상기 가속도 센서(120), 및 상기 진동 자극기(130)는 1개 채널 이상이 센서셋(100)에 구비될 수 있다. 센서셋(100)은 상기 센서(110)의 출력 신호 및 상기 가속도 센서(120)의 출력 신호를 처리하는 처리부(150)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 센서셋(100)에서 상기 처리부(140)는 상기 진동 자극기를 구동하는 진동 자극기 구동부를 더 포함할 수 있다.

도 3은 도 2에서 설명한 센서셋의 생체신호 검출용 센서(110)를 설명하는 도면이다.

도 3을 참조하면, 생체신호 검출용 센서(110)는 생체전기신호 검출용 센서(111)와 생체 역학신호 검출용 센서(112), 및 체온 센서(113) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 생체전기신호 검출용 센서(111)와 생체 역학신호 검출용 센서(112), 및 체온 센서(113)는 1개 채널 이상으로 구성될 수 있다.

다시, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 센서셋은 인체 장착을 위한 구조물, 상기 구조물에 장착되고 생체 신호를 검출하는 생체신호 검출 센서, 상기 구조물에 장착되고 X-Y-Z 세 방향의 사용자 움직임을 검출할 수 있는 가속도 센서, 및 상기 구조물에 장착되고 상기 생체신호 검출 센서 및 가속도 센서의 출력 신호를 처리하여 사용자에게 경고 및 지시를 위한 진동 자극기를 포함한다.

상기 생체신호 검출 센서는 생체 전기 신호 검출을 위해 인체의 적어도 3곳 이상의 서로 다른 위치에 부착되는 생체 전극들을 포함할 수 있다.

상기 생체신호 검출 센서는 적어도 1채널 이상의 맥파 신호(PPG) 및 상기 맥파 신호를 미분하여 추출한 가속도 맥파 신호(SDPTG) 중에서 적어도 하나를 검출하기 위한 광센서를 포함할 수 있다.

상기 생체신호 검출 센서는 인체의 온도를 계측하기 위해 적어도 1채널 이상의 온도 센서를 포함할 수 있다.

상기 가속도 센서는 X, Y, Z축 방향으로의 직선 운동을 감지할 수 있는 가속도 센서 또는 X, Y, Z축에 대한 회전 또는 기울임 운동을 감지할 수 있는 각속도 센서로 구성되어 적어도 1채널 이상의 출력 신호를 제공할 수 있다.

상기 자극기는 진동 모터를 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋을 설명하는 도면이다.

도 5는 도 4의 센서셋의 생체 신호 검출 센서를 설명하는 단면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 센서셋(100)은 머리 장착형 센서셋 구조물(420), 상기 센서셋 구조물(420)에 장착되어 착용자의 머리에서 생체 신호를 검출하는 생체 신호 검출 센서들(411a~411d), 상기 센서셋 구조물(420)에 장착되어 착용자의 머리 움직임을 검출하는 가속도 센서(미도시), 및 상기 센서셋 구조물(420)에 장착되어 착용자에게 역학적 자극을 제공하는 진동 자극기(미도시)를 포함한다.

상기 생체 신호 검출 센서들(411a~411d)은 서로 다른 위치에서 머리 피부 표면에 직접적으로 접촉될 수 있는 3개 이상의 생체 전극들(412a~412d)을 포함한다. 상기 생체 신호 검출 센서들(411a~411d)은 각각 하우징들(410a~410d)을 포함할 수 있다. 상기 생체 전극들(412a~412d)은 상기 하우징 내부에 배치된다.

접지 전극(412e)은 이마 중앙에 부착된다. 상기 생체 전극들(412a~412d)은 상기 접지 전극(412e)과 이격되어 왼쪽 이마에 부착되는 제1 채널 전극(412a), 상기 접지 전극(412e)과 이격되어 오른쪽 이마에 부착되는 제2 채널 전극(412b), 한쪽 귀 주변 부위에 부착되는 기준 전극(412c), 및 다른 한쪽 귀 주위에 배치되는 보조 전극(412d)을 포함한다.

상기 센서셋 구조물(420)은 상기 하우징들(410a~410d)을 고정하고 연결하는 연결 지지대(421), 및 적어도 2개의 상기 연결 지지대(421)를 고정하는 결합 구조체(432,434)를 포함한다. 상기 연결 지지대(421)의 일단은 상기 하우징(410a)에 연결되고, 상기 연결 지지대(421)의 타단은 상기 결합 구조체(432)에 연결된다.

상기 결합 구조체(432,434)는 제1 결합 구조체(432) 및 제2 결합 구조체(434)를 포함할 수 있다. 상기 제1 결합 구조체(432)는 이마 부위에 배치되고, 제2 결합 구조체(434)는 뒤통수 부위에 배치될 수 있다. 상기 접지 전극(412e)은 상기 제1 결합 구조체(432)에 장착될 수 있다.

중앙 연결 지지대(422)는 상기 제1 결합 구조체(432)와 상기 제2 결합 구조체(434)를 서로 연결한다. 상기 중앙 연결 지지대(422)는 1개 이상일 수 있다.

상기 제1 결합 구조체(432)는 왼쪽 이마 부위에 배치되는 제1 생체 신호 센서(411a)에 연결된 상기 연결 지지대(421) 및 오른쪽 이마 부위에 배치되는 제2 생체 신호 센서(411b)에 연결된 상기 연결 지지대(421)를 통하여 지지된다.

상기 제2 결합 결합 구조체(434)는 한쪽 귀 주위에 배치되는 제3 생체 신호 센서(411c)에 연결된 상기 연결 지지대(421) 및 다른 쪽 귀 주위에 배치되는 제4 생체 신호 센서(411d)에 연결된 상기 연결 지지대(421)를 통하여 지지된다. 상기 제1 결합 구조체(432) 및/또는 상기 제2 결합 구조체(434) 내부에는 처리부(미도시)가 배치될 수 있다. 상기 처리부는 생체 신호를 처리하여 인터페이스를 통하여 컴퓨터에 제공할 수 있다.

제1 하우징(410a)은 상기 연결 지지대(421) 통하여 상기 제1 결합 구조체(432)에 결합할 수 있다. 제2 하우징(410b)는 상기 연결 지지대(421) 통하여 상기 제1 결합 구조체(432)에 결합할 수 있다. 제3 하우징(410c)은 상기 연결 지지대(421) 통하여 상기 제2 결합 구조체(434)에 결합할 수 있다. 제4 하우징(410d)은 상기 연결 지지대(421) 통하여 상기 제2 결합 구조체(434)에 결합할 수 있다.

제1 채널 전극(412a)은 상기 제1 하우징(410a)에 장착될 수 있다. 상기 제2 채널 전극(412b)은 상기 제2 하우징(410b)에 장착될 수 있다. 상기 기준 전극(412c)은 제3 하우징(410c)에 장착될 수 있다. 상기 보조 전극(412d)은 상기 제4 하우징(410d)에 장착될 수 있다.

상기 연결 지지대(421)는 상기 제1 결합 구조체(432)와 상기 제2 결합 구조체(434)를 서로 연결하는 2개의 중앙 연결 지지대(422)를 포함한다.

상기 연결 지지대(421)는 소성 또는 탄성의 특성을 지닌 재질로 구성되어 상기 센서셋 구조물(420)의 형태와 크기를 사용자 머리에 적합하도록 변경할 수 있다. 상기 연결 지지대(421)는 소성 또는 탄성을 제공하는 금속물, 전기 신호 전달을 위한 전기 도선, 및 상기 금속물 및 상기 도선을 둘러싸는 유연한 재질의 외피를 포함한다.

가속도 센서(미도시)는 3-축 가속도 센서일 수 있다. 가속도 센서는 하우징 및 결합 구조체 중 적어도 하나에 장착된다. 상기 가속도 센서는 상기 가속도 센서가 배치된 평면에 수직한 방향으로 작용하는 중력 가속도의 크기에 비례하는 직류(DC) 성분을 제공할 수 있다. 또한, 상기 가속도 센서는 상기 가속도 센서가 배치된 평면에 수직한 방향으로 가속 운동할 경우 상기 평면에 수직한 성분의 운동 가속도 크기에 비례하는 교류(AC) 성분을 제공할 수 있다.

상기 직류(DC) 성분의 가속도 센서 출력은 상기 가속도 센서의 기울어진 정도를 제공할 수 있다. 상기 가속도 센서의 출력으로부터 얻은 가속도 센서의 기울어진 각도를 이용하여 사용자의 머리 움직임의 형태가 파악될 수 있다.

교류(AC) 성분의 가속도 센서의 출력으로부터 사용자가 머리를 움직임 정도를 제공할 수 있다. 상기 움직임 정도는 생체 신호 검출에 오류 발생시기에 관한 정보를 제공할 수 있다.

진동 자극기(미도시)는 진동 모터일 수 있다. 상기 진동 자극기는 상기 하우징 및 상기 결합 구조체 중 적어도 하나에 장착된다. 상기 진동 자극기는 상기 하우징 및 상기 결합 구조체 중 적어도 하나를 통해 상기 센서셋에 역학적 진동을 제공한다. 이에 따라, 센서셋 착용자는 상기 진동을 감지할 수 있다. 또는, 상기 진동 자극기는 인체에 직접 진동 자극을 주도록 변형될 수 있다.

상기 진동 자극기가 작동하여 센서셋 착용자에게 진동 자극을 주는 경우, 상기 생체신호 검출 센서의 출력 및/또는 상기 가속도 센서의 출력은 비정상적일 수 있다. 따라서, 상기 진동 자극기가 작동하는 경우, 상기 처리부는 상기 생체신호 검출 센서의 출력 및/또는 상기 가속도 센서의 출력 무시할 수 있다.

생체 신호 검출 센서는 생체 전기 신호를 측정하기 위한 생체 전극, 생체 역학 신호를 검출하기 위한 광센서, 및 체온을 검출하기 위한 온도 센서 중에서 적어도 하나를 포함한다.

다시, 도 5를 참조하면, 생체 신호 검출 센서(500)는 생체 전기 신호를 측정하기 위한 생체 전극(520), 생체 역학 신호를 검출하기 위한 광센서(551), 및 체온을 검출하기 위한 온도 센서(591) 중에서 적어도 하나를 포함한다.

상기 생체 신호 검출 센서(100)는 생체 전극(520), 전극 커넥터(530), 하우징(540), 인쇄회로 기판(510), 및 결합 수단(512)을 포함한다.

상기 생체 전극(520)의 일면은 인체에 직접적으로 부착되어 생체 전기 신호를 추출한다. 상기 생체 전기 신호는 뇌파(EEG), 안전도(EOG), 심전도(ECG), 및 근전도(EMG) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 생체 전극(520)은 중심에 관통홀(523)을 포함하고, 상기 관통홀(523)의 외측에 제1 턱(525)을 포함한다. 상기 생체 전극(520)의 상기 제1 턱(525) 부위에 나사산이 형성된다.

상기 생체 전극(520)은 도전성 금속으로 형성될 수 있다. 상기 생체 전극(520)은 중심에 관통홀(523)을 포함한다. 상기 생체 전극(520)은 제1 두께를 가지는 내부 전극(520a), 제2 두께를 가지는 중심 전극(520b), 및 제3 두께를 가지는 외부 전극(523b)으로 구분될 수 있다. 상기 제1 두께 및 상기 제3 두께는 상기 제2 두께보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 내부 전극(520a)과 상기 중심 전극(520b)이 접촉하는 부분에서 상기 제1 턱(525)을 가질 수 있다. 또한, 상기 중심 전극(520b)과 외부 전극(520c)이 접촉하는 부분에 제2 턱(527)을 가질 수 있다. 상기 생체 전극(520)의 표면은 인체에 무해하도록 금으로 코팅될 수 있다. 상기 제1 턱(525)에는 나사 결합수 있도록 나선형 홈이 형성될 수 있다.

상기 전극 커넥터(530)는 상기 생체 전극(520)의 상기 제1 턱(525)에 삽입되어 결합하는 형태일 수 있다. 상기 전극 커넥터(530)의 외측면은 나사홈이 형성된다. 상기 전극 커넥터(530)는 도전성 물질로 형성될 수 있다. 상기 전극 커넥터(530)는 중심에 관통홀(531)을 포함할 수 있다. 상기 전극 커넥터(530)는 상기 관통홀(531) 주위에 돌출부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 돌출부는 상기 인쇄회로 기판(510)과 전기적으로 직접 연결될 수 있다. 상기 전극 커넥터(530)의 외측은 홈이 형성되고, 상기 생체 전극(520)의 상기 제1 턱(525)에 나사 결합할 수 있다. 이에 따라, 상기 생체 전극(520)은 용이하게 교체될 수 있다.

상기 하우징(540)은 상기 생체 전극(520)의 타면을 덥고 인쇄회로 기판(510)과 접촉한다. 상기 인쇄회로 기판(510)은 일면에 전극 패드(511)를 포함하고, 타면은 상기 하우징(540)과 접촉한다.

하우징(540)은 플라스틱과 같은 비도전성 물질로 형성될 수 있다. 상기 하우징(540)은 상기 인쇄회로 기판(510)을 감싸도록 형성될 수 있다. 상기 하우징(540)의 일부는 상기 인쇄회로 기판(510)과 상기 전극 커넥터(530) 사이에 배치될 수 있다. 상기 하우징(540)은 상기 제2 턱(527)에 끼움 결합할 수 있도록 오목한 형태를 가질 수 있다.

상기 생체 전극(520)과 상기 인쇄회로 기판(510)의 패드(511)의 전기적 연결은 결합 수단(512)을 통하여 수행될 수 있다. 상기 인쇄회로 기판(510)의 일면에는 패드(511)가 형성되고, 상기 패드(511)의 중심에는 관통홀이 배치될 수 있다.

결합수단(512)은 상기 인쇄회로 기판(510) 및 상기 하우징(540)을 관통하여 상기 전극 커넥터(530)와 결합한다. 상기 결합 수단(512)은 상기 인쇄회로 기판(510)의 패드(511)와 상기 생체 전극(520)을 전기적으로 연결한다.

상기 결합 수단(512)은 상기 패드(511), 상기 하우징(540), 및 상기 전극 커넥터(530)를 관통할 수 있다. 상기 결합 수단(512)은 볼트일 수 있다. 상기 결합 수단(512)은 상기 전극 커넥터(530)에 형성된 관통홀 내부의 나선 홈을 통하여 상기 전극 커넥터(530)와 기계적 및/또는 전기적으로 결합할 수 있다.

광센서(551)는 발광 소자(560) 및 수광 소자(570)를 포함할 수 있다. 발광 소자(560)는 상기 인쇄회로 기판(510)의 타면에 배치되고 상기 생체 전극(520)의 관통홀(523) 상에 배치될 수 있다.

수광소자(570)는 인체에서 반사 또는 산란되는 광을 검출하여, 맥파 신호를 제공한다. 상기 수광소자(570)는 상기 인쇄회로 기판(510)의 타면에 배치되고 상기 전극(520)의 관통홀(523) 상에 상기 발광소자(560)와 이격되어 배치될 수 있다. 상기 광센서(551)는 상기 발광 소자를 구동하고 상기 수광 소자의 출력신호를 검출하여 맥파 신호(PPG)를 출력할 수 있다.

차광막(550)은 상기 발광 소자(560)의 출력광이 상기 수광 소자(570)에 직접 조사되는 것을 차단할 수 있다. 상기 발광소자(560)는 상기 사용자의 피부에 침투하여 반사되어 상기 수광 소자(570)에 제공되어 맥파 신호를 제공할 수 있다.

상기 발광 소자(560)는 발광 다이오드일 수 있다. 상기 발광 다이오드는 적색 또는 자외선 발광 다이오드일 수 있다. 상기 수광소자(570)는 광-다이오드 또는 황화카드늄(CdS) 소자일 수 있다. 상기 광센서(551)는 맥파 신호를 검출한다.

처리부(미도시)는 상기 맥파 신호를 2차 시간 미분하여 가속도 맥파 신호를 추출한다. 상기 처리부는 상기 센서셋의 결합 구조체에 배치될 수 있다.

처리부는 상기 가속도 맥파 신호에서 가속도 맥파 신호의 꼭지점에 동기되어 상승 또는 하강 모서리를 갖는 심박펄스 신호를 생성하는 피크 검출기를 포함할 수 있다. 상기 심박펄스 신호에서 심박간격 및 심박변이율(HRV)이 추출될 수 있다.

진동 자극기(130)는 상기 하우징(540)에 장착되어 인체에 진동을 인가할 수 있다. 상기 진동 자극기(130)는 상기 하우징(540)에서 인체와 가장 근접한 영역에 배치될 수 있다. 진동 구동부(580)는 상기 인쇄회로 기판(510)에 장착되어 상기 진동 자극기(130)를 구동할 수 있다.

상기 진동 자극기(130)는 처리된 생체 신호에 기초하여 사용자에 경고 및/또는 지시하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 진동 자극기(130)는 사용 중에 졸음 상태를 경고하거나, 게임 운용시 경고 효과를 발생시킬 수 있다.

온도 센서(113)는 상기 인쇄회로 기판의 한 면상에서 인쇄회로 기판의 패드(511)에 근접하여 배치되어, 상기 결합 수단(512), 상기 전극 커넥터(530) 및 상기 생체 전극(520)을 경유하는 열전달을 통해 인체 표면의 체온을 계측할 수 있다.

또는, 상기 온도 센서(113)는 상기 생체 전극에 접촉하여 배치되거나, 상기 전극 코텍터에 접촉하여 배치되거나, 상기 결합 수단에 접촉하여 배치될 수 있다.

가속도 센서(120)는 상기 인쇄회로기판(510)에 배치될 수 있다. 상기 가속도 센서(120)는 3축 가속도 센서일 수 있다. 상기 가속도 센서(120)는 생체 신호의 보조 정보로 사용될 수 있다.

상기 처리부는 상기 인쇄회로기판(510)에 배치될 수 있다. 전기 신호는 상기 생체전극(520)에 의한 생체전기신호, 상기 광센서(551)를 통한 생체역학신호, 상기 온도센서(113)에 의한 체온, 및 상기 가속도센서(120)에 의한 운동신호 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 처리부는 상기 전기 신호의 신호처리를 수행하며, 상기 진동구동부(580)를 통한 진동 자극기(130)을 구동할 수 있다.

상기 처리부는 상기 하우징(410a~410d) 및 상기 결합구조체(432,434) 중 적어도 하나에 구비될 수 있다. 상기 처리부의 일부는 상기 하우징에 배치되고, 다른 일부는 상기 결합구조체(432,434)에 배치될 수 있다.

복수 개의 하우징들 중에서, 일부는 온도 센서를 장착하고, 다른 일부는 가속도 센서를 장착하고, 또 다른 일부는 진동 자극기를 장착할 있고, 또 다른 일부는 광센서를 장착할 수 있다. 이에 따라, 상기 처리부는 생체 전극, 온도 센서, 운동 센서, 및 광센서의 출력 중 적어도 하나를 처리한다. 상기 처리부는 상기 진동 자극기를 구동하여 인체에 역학적 자극을 제공할 수 있다.

상기 연결 지지대(421)는 소성 또는 탄성을 제공하는 금속물(593), 전기 신호 전달을 위한 전기 도선(594), 및 상기 금속물(593) 및 상기 전기 도선(594)을 감싸는 유연한 재질의 외피(595)를 포함한다. 상기 연결지지대(421)는 상기 하우징(540)의 측면에 결합할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서셋의 블록도이다.

도 7은 도 6의 센서셋의 접지 전극 및 생체 전극들이 배치되는 위치를 나타내는 도면이다.

도 4 내지 도 7을 참조하면, 센서셋(100)은 머리 장착형 센서셋 구조물(420), 상기 센서셋 구조물(420)에 장착되어 착용자의 머리에서 생체 신호를 검출하는 생체 신호 검출 센서들(411a~411d), 상기 센서셋 구조물(420) 또는 상기 생체 신호 검출 센서들(411a~411d)에 장착되어 착용자의 머리 움직임을 검출하는 가속도 센서(120), 및 상기 센서셋 구조물 또는 상기 생체 신호 검출 센서들(411a~411d)에 장착되어 착용자에게 역학적 자극을 제공하는 진동 자극기(130)를 포함한다. 상기 생체 신호 검출 센서들(411a~411d)은 머리 피부 표면에 직접적으로 접촉될 수 있는 3개 이상의 생체 전극들(412a~412d)을 포함한다.

생체 신호 검출 센서(411a~411d)는 생체 전극(412a~412d) 및 광센서(551)를 포함할 수 있다. 상기 생체 전극들(412a~412d)은 접지 전극(412e)과 이격되어 왼쪽 이마에 부착되는 제1 채널 전극(412a), 상기 접지 전극(412e)과 이격되어 오른쪽 이마에 부착되는 제2 채널 전극(412b), 한쪽 귀 주변 부위에 부착되는 기준 전극(412c), 및 다른 쪽 귀 주변 부위에 부착되는 보조 전극(412d)을 포함한다.

생체 신호 검출 센서(411a)는 하나의 생체 전극 및/또는 하나의 광센서를 포함할 수 있다.

처리부(150)는 전단 증폭기들(572a~572d)과 연결되는 차동 증폭기들(573a~573d) 및 상기 차동 증폭기들의 출력을 입력받는 신호 처리부(575)를 더 포함할 수 있다. 상기 처리부(150)는 상기 생체 전극들(411a~411d)에 연결된 전단 증폭기들(572a~572d)을 포함할 수 있다. 상기 전단 증폭기는 제1 내지 제4 전단 증폭기를 포함할 수 있다. 상기 제1 전단 증폭기(572a)의 입력은 상기 제1 채널 전극(412a)에 연결된다. 상기 제2 전단 증폭기(572b)의 입력은 상기 제2 채널 전극(412b)에 연결된다. 상기 제3 전단 증폭기(572c)의 입력은 상기 기준 전극(412c)에 연결된다. 상기 제4 전단 증폭기(572d)의 입력은 상기 보조 전극(412d)에 연결된다.

상기 제1 전단 증폭기(572a)의 출력 및 상기 제2 전단 증폭기(572b)의 출력은 제1 차동 증폭기(573a)의 입력으로 제공될 수 있다. 상기 제1 차동 증폭기(573)는 제1 예비 안전도 신호(S_EOG1)를 제공할 수 있다. 제1 예비 안전도 신호(S_EOG1)는 신호 처리부(575)를 통하여 좌-우 안전도 신호로 변환될 수 있다.

상기 제1 전단 증폭기(572a)의 출력 및 상기 제3 전단 증폭기(572c)의 출력은 상기 제2 차동 증폭기(573b)의 입력으로 제공될 수 있다. 상기 제2 차동 증폭기(573b)는 제1 예비 뇌전도 신호(S_EEG1)를 제공할 수 있다. 제1 예비 뇌전도 신호(S_EEG1)는 상기 신호 처리부(575)를 통과하여 왼쪽 뇌파 신호로 변환될 수 있다.

상기 제2 전단 증폭기(572b)의 출력 및 상기 제3 전단 증폭기(572c)의 출력은 상기 제3 차동 증폭기(573c)의 입력으로 제공될 수 있다. 상기 제3 차동 증폭기(573c)는 제2 예비 뇌전도 신호(S_EEG2) 및 제2 예비 안전도 신호(S_EOG2)를 제공할 수 있다. 제2 예비 뇌전도 신호(S_EEG2)는 상기 신호 처리부(575)를 통하여 오른쪽 뇌파 신호로 변환될 수 있다. 제2 예비 안전도 신호(S_EOG2)는 상기 신호 처리부(575)를 통하여 위-아래 안전도 신호로 변환될 수 있다.

상기 제3 전단 증폭기(572c)의 출력 및 상기 제4 전단 증폭기(572d)의 출력은 상기 제4 차동 증폭기(573d)의 입력으로 제공될 수 있다. 상기 제4 차동 증폭기(573d)는 예비 심전도 신호(S_ECG)를 제공할 수 있다. 상기 심전도 신호(S_ECG)는 상기 신호 처리부(575)를 통하여 심전도 신호로 변환될 수 있다.

상기 광센서(551)는 머리 피부에 입사되는 광을 발생시키는 발광 소자, 및 머리 피부에서 반사 또는 산란되는 광을 검출하는 수광소자를 포함한다.

상기 처리부(150)는 미분회로(576), 및 피크검출기(577)를 포함한다. 상기 광센서(551)는 상기 광센서(551)의 발광 소자를 구동하고 수광 소자의 출력신호를 검출하여 맥파 신호(PPG)를 출력할 수 있다.

상기 맥파 신호(PPG)는 미분회로부(576)에 제공된다. 상기 미분회로부(576)는 상기 맥파 신호(PPG)를 2차 시간 미분하여 가속도 맥파 신호(SDPTG)를 제공할 수 있다.

상기 가속도 맥파 신호(SDPTG)는 피크 검출기(577)에 제공된다. 상기 피크 검출기(577)는 상기 가속도 맥파 신호(SDPTG)에서 가속도 맥파 신호의 꼭지점에 동기되어 상승 또는 하강 모서리를 갖는 심박펄스 신호(HBS)를 생성할 수 있다.

상기 신호 처리부(575)는 상기 심박펄스 신호(HBS)를 입력받아 심박변이율(HRV) 신호를 생성될 수 있다.

상기 신호 처리부(575)는 상기 센서셋(100)에 구비된 온도 센서(113) 출력을 입력받아 체온을 제공할 수 있다. 상기 신호 처리부(575)는 상기 센서셋(100)에 구비된 가속도 센서(120) 출력을 입력받아 머리 움직임 정보를 제공할 수 있다.

상기 신호 처리부(575)는 상기 센서셋(100)에 구비된 진동 자극기(130)를 제어하여 센서셋(100)을 통하여 인체에 진동 자극을 제공할 수 있다.

상기 신호 처리부는 심전도 신호, 안전도 신호, 및 운동 신호를 처리할 수 있다. 상기 신호 처리부는 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다. 상기 신호 처리부는 상기 심전도 신호, 상기 안전도 신호, 및 상기 운동 신호를 디디털 형태로 유선 또는 무선 통신 수단을 이용하여 인테페이스를 경유하여 컴퓨터에 제공할 수 있다. 상기 컴퓨터는 상기 심전도 신호, 상기 안전도 신호, 및 상기 운동 신호를 제공받아 응용 프로그램을 수행하고, 상기 진동 자극기를 제어할 수 있다.

이하에서, 센서셋의 동작 방법이 설명된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 센서셋의 동작 방법을 설명하는 순서도이다.

도 6 및 도 8을 참조하면, 센서셋의 동작 방법은 상기 제1 채널 전극의 출력 신호(S1)와 상기 기준전극의 출력 신호(S3)의 차이를 차동 증폭하여 제1 예비 뇌전도 신호(S_EEG1)를 생성하는 단계(S11), 및 상기 제2 채널 전극의 출력 신호와 상기 기준전극의 출력 신호의 차이를 차동 증폭하여 제2 예비 뇌전도 신호(S_EEG2)를 생성하는 단계를 포함한다(S12).

상기 제1 예비 뇌전도 신호(S_EEG1) 상기 제2 예비 뇌전도 신호(S_EEG2)의 합과 소정의 뇌파기준전압을 비교하여 뇌파상태논리 신호가 생성된다(S13). 상기 뇌파상태논리 신호는 상기 합이 상기 뇌파 기준전압 이하이면 논리 영으로 설정되고, 상기 합이 상기 뇌파 기준전압을 초과하면 논리 1로 설정된다.

광센서(551)를 이용하여 맥파 신호(PPG)를 측정한다(S14). 이어서, 상기 맥파 신호(PPG)를 미분하여 가속도 맥파 신호(SDPTG)를 생성한다(S15). 이어서, 상기 가속도 맥파 신호(SDPTG)의 크기와 소정의 설정한 맥파 기준값을 비교하여 맥파상태논리 신호를 생성한다(S16). 상기 맥파상태논리 신호는 상기 맥파 신호의 크기가 맥파기준값 이상이면 논리 0으로 설정되고, 상기 맥파상태논리 신호는 상기 맥파 신호의 크기가 맥파기준값 미만이면 논리 1로 설정된다.

온도 센서를 이용하여 체온이 측정된다(S17). 이어서, 상기 체온 값과 설정한 체온 기준값을 비교하여 체온상태논리 신호가 생성된다(S18). 상기 체온상태논리 신호는 측정한 체온 값이 체온기준값 이상이면 논리 0으로 설정되고, 상기 체온상태논리 신호는 측정한 체온 값이 체온기준값 미만이면 논리 1으로 설정된다.

상기 체온상태논리 신호, 상기 맥파상태논리 신호, 및 상기 뇌파상태논리 신호 중에서 적어도 둘을 이용하여 머리에 센서셋의 착용 여부가 판단된다(S19). 상기 체온상태논리 신호, 상기 맥파상태논리 신호, 및 상기 뇌파상태논리 신호 중에서 둘 이상이 동시에 논리 0이면 센서셋은 머리에 착용된 것으로 판단된다.

머리에 착용된 것으로 판단되고, 상기 체온상태논리 신호, 상기 맥파상태논리 신호, 및 상기 뇌파상태논리 신호 중에서 하나가 논리 1 상태에 있을 경우, 상기 진동 자극기(130)는 올바르게 착용할 것을 요청하는 착용 경고를 착용자에게 진동 자극으로 제공한다(S20).

이어서, 착용 경고를 착용자에게 진동 자극을 제공한 후 소정의 시간이 경과 후, 상기 체온상태논리 신호, 상기 맥파상태논리 신호, 및 상기 뇌파상태논리 신호 중에서 하나가 논리 1 상태를 유지하는 경우, 고장 상태임을 착용자에게 알리는 고장 경고가 제공된다.

가속도 센서(120)를 이용하여 상기 착용자의 머리 움직임이 감지된다(S21). 이어서, 상기 머리 움직임이 소정의 설정된 시간 동안 소정의 설정된 회수 이상 발생하면 상기 진동 자극기(130)가 착용자에게 안정 경고가 제공된다(S22). 상기 가속도 센서(120)의 0.5Hz 이상의 교류(AC) 성분이 기준치 이상이면, 운동성 잡음으로 판단하여 상기 제1 예비 뇌전도 신호와 상기 예비 안전도 신호의 처리가 중지된다(S23).

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 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 실시 예들은 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.

100:센서셋
200:인터페이스 장치
300:컴퓨터
110:생체신호 검출용 센서
120:움직임 검출용 가속도 센서
130:사용자 자극용 자극기

Claims (38)

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8. 머리 장착형 센서셋 구조물;
   상기 센서셋 구조물에 장착되어 착용자의 머리에서 생체 신호를 검출하는 생체 신호 검출 센서들;
   상기 센서셋 구조물 또는 상기 생체 신호 검출 센서들에 장착되어 착용자의 머리 움직임을 검출하는 가속도 센서;및
   상기 센서셋 구조물 또는 상기 생체 신호 검출 센서들에 장착되어 착용자에게 역학적 자극을 제공하는 진동 자극기를 포함하고,
   상기 생체 신호 검출 센서들은:
   서로 다른 위치에서 머리 피부 표면에 직접적으로 접촉될 수 있는 3개 이상의 생체 전극들; 및
   이마에 부착되는 접지 전극을 포함하고,
   상기 생체 전극들은:
   상기 접지 전극과 이격되고 왼쪽 이마에 부착되는 제1 채널 전극;
   상기 접지 전극과 이격되고 오른쪽 이마에 부착되는 제2 채널 전극;및
   한쪽 귀 주변 부위에 부착되는 기준 전극을 포함하는 것을 특징으로 센서셋.
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11. 제8항에 있어서,
    상기 센서셋 구조물은:
    상기 생체 신호 검출 센서들을 고정하고 연결하는 연결 지지대들; 및
    적어도 2개의 상기 연결 지지대들을 고정하는 결합 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서셋.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 결합 구조체는 이마 부위에 배치되는 제1 결합 구조체 및 뒤통수 부위에 배치되는 제2 결합 구조체를 포함하고,
    상기 연결 지지대는 상기 제1 결합 구조체와 상기 제2 결합 구조체를 서로 연결하는 중앙 연결 지지대를 더 포함하고,
    상기 제1 결합 구조체는 왼쪽 이마 부위에 배치되는 제1 생체 신호 센서에 연결된 제1 연결 지지대 및 오른쪽 이마 부위에 배치되는 제2 생체 신호 센서에 연결된 제2 연결 지지대를 통하여 지지되고,
    상기 제2 결합 결합 구조체는 한쪽 귀 주위에 배치되는 제3 생체 신호 센서에 연결된 제3 연결 지지대 및 다른 쪽 귀 주위에 배치되는 제4 생체 신호 센서에 연결된 제4 연결 지지대를 통하여 지지되는 것을 특징으로 하는 센서셋.
13. 제11 항 또는 제 12항 있어서,
    상기 연결 지지대들 또는 상기 중앙 연결 지지대는 소성 또는 탄성의 특성을 지닌 재질로 구성되어 센서셋 구조물의 형태와 크기를 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 센서셋.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 연결 지지대들은:
    소성 또는 탄성을 제공하는 금속물;
    전기 신호 전달을 위한 전기 도선; 및
    상기 금속물 및 상기 전기 도선을 둘러싸는 유연한 재질의 외피를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서셋.
15. 제8 항에 있어서,
    상기 생체 신호 검출 센서는:
    상기 생체 전극들 상에 배치되고 상기 생체 전극들과 분리결합할 수 있는 전극 커넥터들;
    상기 전극 커넥터들 상에 배치되는 하우징들; 및
    상기 하우징들 상에 배치되는 인쇄회로 기판들을 더 포함하고,
    상기 하우징들은 상기 인쇄 회로 기판들을 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 센서셋.
16. 제 8 항에 있어서,
    상기 생체 신호 검출 센서는:
    생체 역학 신호를 검출하는 광센서; 및
    체온을 검출하는 온도 센서 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서셋.
17. 제16 항에 있어서,
    상기 생체 전극들은 중심에 관통홀을 가지고,
    상기 광센서는 상기 관통홀 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 센서셋.
18. 제16 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 머리 피부의 온도를 계측하기 위해 상기 생체 전극에 밀착하여 배치되는 것을 특징으로 하는 센서셋.
19. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 채널 전극의 출력 신호와 상기 기준전극의 출력 신호의 차이를 차동 증폭하고 처리하여 왼쪽 뇌파 신호를 추출하고,
    상기 제2 채널 전극의 출력 신호와 상기 기준전극의 출력 신호의 차이를 차동 증폭하고 처리하여 오른쪽 뇌파 신호를 추출하는 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 센서셋.
20. 제 8 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 제2 채널 전극의 출력 신호와 상기 기준전극의 출력 신호의 차이를 차동 증폭하고 처리하여 위-아래 안전도 신호를 추출하고,
    상기 제2 채널 전극의 출력 신호와 상기 제1 채널 전극의 출력 신호의 차이를 차동 증폭하고 처리하여 좌-우 안전도 신호를 추출하는 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서셋.
21. 제20 항에 있어서,
    상기 생체 전극들은 상기 기준 전극의 반대쪽 귀 주위에 위치하는 보조전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서셋.
22. 제21 항에 있어서,
    상기 보조전극의 출력 신호와 상기 기준전극의 출력 신호의 차이를 차동 증폭하고 처리하여 심전도 신호를 추출하는 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서셋.
23. 제16 항에 있어서,
    상기 광센서는:
    머리 피부에 입사되는 광을 발생시키는 발광 소자; 및
    머리 피부에서 반사 또는 산란되는 광을 검출하는 수광소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서셋.
24. 제 23 항에 있어서,
    상기 광센서는 상기 발광 소자와 상기 수광소자기 사이에 직접적인 광간섭이 생기지 않도록 차광막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서셋.
25. 제23 항에 있어서,
    상기 광센서는 맥파 신호를 검출하고,
    상기 맥파 신호를 2차 시간 미분하여 가속도 맥파 신호를 추출하는 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서셋.
26. 제25 항에 있어서,
    상기 처리부는 상기 가속도 맥파 신호에서 가속도 맥파 신호의 꼭지점에 동기되어 상승 또는 하강 모서리를 갖는 심박펄스 신호를 생성하는 피크 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서셋.
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36. 머리 장착형 센서셋 구조물; 및
    상기 센서셋 구조물에 장착되어 착용자의 머리에서 생체 신호를 검출하는 생체 신호 검출 센서들을 포함하고,
    상기 센서셋 구조물은:
    상기 생체 신호 검출 센서들을 고정하고 연결하는 연결 지지대들; 및
    적어도 2개의 상기 연결 지지대들을 고정하는 결합 구조체를 포함하고,
    상기 생체 신호 검출 센서들은:
    서로 다른 위치에서 머리 피부 표면에 직접적으로 접촉될 수 있는 3개 이상의 생체 전극들; 및
    이마에 부착되는 접지 전극을 포함하고,
    상기 생체 전극들은:
    상기 접지 전극과 이격되고 왼쪽 이마에 부착되는 제1 채널 전극;
    상기 접지 전극과 이격되고 오른쪽 이마에 부착되는 제2 채널 전극;및
    한쪽 귀 주변 부위에 부착되는 기준 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서셋.
37. 머리 장착형 센서셋 구조물; 및
    상기 센서셋 구조물에 장착되어 착용자의 머리에서 생체 신호를 검출하는 생체 신호 검출 센서들을 포함하고,
    상기 생체 신호 검출 센서들은:
    서로 다른 위치에서 머리 피부 표면에 직접적으로 접촉될 수 있는 3개 이상의 생체 전극들;
    상기 생체 전극들 상에 배치되고 상기 생체 전극들과 분리결합할 수 있는 전극 커넥터들;
    상기 전극 커넥터들 상에 배치되는 하우징들;
    이마에 부착되는 접지 전극;및
    상기 하우징들 상에 배치되는 인쇄회로 기판들을 포함하고,
    상기 하우징들은 상기 인쇄회로 기판을 감싸도록 형성되고,
    상기 생체 전극들은:
    상기 접지 전극과 이격되고 왼쪽 이마에 부착되는 제1 채널 전극;
    상기 접지 전극과 이격되고 오른쪽 이마에 부착되는 제2 채널 전극;및
    한쪽 귀 주변 부위에 부착되는 기준 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서셋.
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