KR101315128B1

KR101315128B1 - 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법

Info

Publication number: KR101315128B1
Application number: KR1020120036054A
Authority: KR
Inventors: 김원식; 최형민; 박찬복
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2013-10-07

Abstract

본 발명은 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법에 관한 것으로, 생체항상성 회복수단에 수평으로 누운 피측정자의 각 신체 부위에 전극들을 부착하여 생체신호 측정수단을 연결하는 단계; 컴퓨터수단의 설정시간 동안 피측정자의 누운 상태를 유지하여 안정화시키는 단계; 설정시간이 경과하면, 컴퓨터수단이 생체신호 측정수단에 1차 생체신호의 획득을 지시하고, 생체신호 측정수단은 전극들로부터 1차 생체신호를 획득하여 컴퓨터수단에 전송하는 단계; 컴퓨터수단이 생체신호 측정수단으로부터 얻은 1차 생체신호를 저장하는 단계; 컴퓨터수단이 생체항상성 회복수단의 작동을 지시하고, 생체항상성 회복수단이 컴퓨터수단의 설정시간 동안 작동하여 피측정자의 생체항상성을 회복시키는 단계; 컴퓨터수단이 생체신호 측정수단에 2차 생체신호의 획득을 지시하고, 생체신호 측정수단은 전극들로부터 2차 생체신호를 획득하여 컴퓨터수단에 전송하는 단계; 컴퓨터수단이 생체신호 측정수단으로부터 얻은 2차 생체신호를 저장하는 단계; 및 컴퓨터수단이 저장한 1차 생체신호 및 2차 생체신호를 분석하고 그 분석한 결과를 디스플레이하여 표시하는 단계;를 포함한다.

Description

다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법{METHOD EVALUATING HUMAN HOMEOSTASIS BY MEASURING MULTIDIMENSIONAL BIOMEDICAL SIGNALS}

본 발명은 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성(homeostasis) 측정방법에 관한 것으로, 특히 심전도, 맥파, 피부전도반응 및 뇌파 등의 다차원 생체신호를 측정하여 정량적으로 평가 및 시각화할 수 있는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법에 관한 것이다.

인체는 내적, 외적 다양한 자극으로부터 생체의 기능을 일정하게 유지시키려는 생체항상성을 가지고 있으며, 생체항상성을 평가하는 방법의 일실시 예로서 심전도의 심박동변이도를 측정함으로써 자율신경계가 내적, 외적 자극에 대하여 생체항상성 유지를 위하여 어떻게 대응하는가를 평가할 수 있다.

18세기 초, Hales와 Haller에 의해 혈압과 심박의 주기적 변화가 생체항상성과 밀접한 관련이 있다는 사실이 보고된 후, 심박동변이도의 파워스펙트럼 분석은 신뢰성과 재현성이 뛰어난 비침습적인 생체항상성 평가 수단으로서 활발한 연구가 시도되고 있다.

심박동변이도를 분석하기 위하여 심전도 신호의 QRS 복합 파형 중 뾰족한 R파들 간의 간격을 이용하여 심장박동의 주기를 측정하고 이 간격의 시간에 따른 변화를 시계열 데이터로 표현한 뒤, 이것을 고속 푸리에 변환(fast fourier transform) 하여 주파수에 따른 파워스펙트럼(power spectrum)을 계산한다. 상기 파워스펙트럼에서, 0.04-0.15 Hz 범위의 낮은 주파수 대역에 대한 파워(power in low frequency range : LF)는 교감신경계의 활성도와 밀접한 관련이 있고, 0.15-0.4 Hz 범위의 높은 주파수 대역에 대한 파워(power in high frequency range : HF)는 부교감신경계의 활성도와 높은 상관관계가 있는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 생체항상성 능력이 증가하면 LF와 HF의 파워 비율 LF/HF는 감소하고, LF와 HF를 합한 전체파워(total power : TP)는 증가한다.

한편, McCray 등(1995)의 연구에 의하면, 심박동변이도의 0.08∼0.15 Hz 범위의 중간 주파수 대역에 대한 파워(power in middle frequency range : MF)는 혈압을 조절하는 압력수용기(baroreceptor)의 피드백루프(feedback loop)에 대한 활성도를 반영하는 간접적 지수로 사용되어왔는데, 이 영역은 교감과 부교감신경계의 혼합 활성도를 나타내지만 부교감신경계의 활성도를 훨씬 더 많이 반영한다고 알려져 왔다. 여기에서 0.04~0.08 Hz 범위의 낮은 주파수 대역에 대한 파워를 LF'라고 정의하면, 부정감성을 느낄 때는 LF'과 HF 파워 비율을 나타내는 LF'/HF가 증가하는 반면에 긍정감성을 느낄 때는 (LF'+HF)에 대한 MF 파워 비율을 나타내는 MF/(LF'+HF)가 증가한다. 일반적으로 심신이 이완되면 부교감 신경계의 활성도가 교감신경계의 활성도보다 증가된다.

한편, 피부전도반응의 경우 교감신경계의 활성에 비례하여 땀샘이 자극되므로 피부의 전도성이 증가하고, 특정시간동안 피부전도반응이 특정크기 이상일 때의 빈도수 (예: 1분 동안 0.04 micro-simens 이상일 때의 빈도수)가 증가한다. 또한, 피부전도반응의 크기를 등간격으로 양자화 시키면 (아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시 양자화 시키는 개념과 같음) 피부전도반응의 크기가 클수록 그 수치가 증가하게 되는데 이는 교감신경계의 활성도를 나타낸다.

한편, 중추신경계를 나타내는 뇌파의 경우, 긍정감성을 느끼고 심신이 이완되어 평안할 때 Heller 모델 (2004)에 의하면 좌측 전두엽이 우측전두엽에 비하여 더욱 활성화되고, 알파파대역(8~13 Hz)의 파워스펙트럼이 증가한다고 알려져 있다. 또한, 긍정감성을 느끼고 심신이 이완되면 생체항상성 능력이 향상되는 것으로 알려졌다.

이러한 생체신호들을 동일한 피측정자로부터 동시에 측정할 경우, 동일한 피측정자의 생체항상성이 측정되어야하므로 생체신호들 서로 간에 일관성(consistency)이 관측되어야 한다. 따라서, 생체항상성의 측정 신뢰도를 높이려면 한가지 생체신호를 측정하는 것보다는 중추신경계와 자율신경계를 각각 나타내는 생체신호들을 다차원적으로 측정하여 이들 신호들 서로간의 일관성을 평가함으로써 그 신뢰성을 검증할 수 있다.

또한, 상기 생체항상성을 나타내는 다차원적 생체신호 지표들 각각의 정상인 평균치를 1로 규격화시키면 반지름이 1인 정원이 형성되는데, 이를 기준으로 생체항상성이 비정상적이면 정원에서 벗어나는 다각형 패턴으로 나타나므로 비정상적 정도를 직관적으로 파악할 수 있다.

한편, 미국특허 제5,682,901호(발명자: P.W.Kamen)는 심박동변이도의 비선형 특성 묘사방법인 Poincare plot를 이용하여 자율신경계 활성도 평가 장치 및 방법에 관하여 특허를 등록하였다. Poincare plot 묘사 방법은 n번째 R-R 간격(심전도의 R-피크들 간의 간격)을 나타내는 RR(n)을 x축 좌표로 하고, n+1 번째 R-R 간격을 나타내는 RR(n+1)을 y축 좌표로 하여 x-y 평면상에 점들로 표시하고 그 점들이 분포하는 유형별로 교감신경계와 부교감신경계의 활성도를 평가하는 기술이다. Poincare plot을 이용한 분석은 교감신경계와 부교감신경계의 균형정도는 볼 수 있지만 생체 시스템의 건강정도는 볼 수 없는 한계가 있다. 이와 같이 단일 생체신호 지표로는 생체항상성 회복 정도를 정확히 평가하는데 한계가 있다. 그러나 이러한 문제를 해결하기 위한 장치나 방법은 아직 제시되지 않고 있다.

미국특허 제5,682,901호

본 발명의 목적은 심전도, 맥파, 피부전도반응, 뇌파 등의 다차원 생체신호를 측정하여 생체항상성을 정량적으로 평가 및 시각화할 수 있는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법을 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 생체항상성 회복수단에 수평으로 누운 피측정자의 각 신체 부위에 전극들을 부착하여 생체신호 측정수단을 연결하는 제1 단계; 컴퓨터수단의 설정시간 동안 상기 피측정자의 누운 상태를 유지하여 안정화시키는 제2 단계; 상기 설정시간이 경과하면, 컴퓨터수단이 상기 생체신호 측정수단에 1차 생체신호의 획득을 지시하고, 상기 생체신호 측정수단은 상기 전극들로부터 1차 생체신호를 획득하여 상기 컴퓨터수단에 전송하는 제3 단계; 상기 컴퓨터수단이 상기 생체신호 측정수단으로부터 얻은 상기 1차 생체신호를 저장하는 제4 단계; 상기 컴퓨터수단이 상기 생체항상성 회복수단의 작동을 지시하고, 상기 생체항상성 회복수단이 상기 컴퓨터수단의 설정시간 동안 작동하여 상기 피측정자의 생체항상성을 회복시키는 제5 단계; 상기 컴퓨터수단이 상기 생체신호 측정수단에 2차 생체신호의 획득을 지시하고, 상기 생체신호 측정수단은 상기 전극들로부터 2차 생체신호를 획득하여 상기 컴퓨터수단에 전송하는 제6 단계; 상기 컴퓨터수단이 상기 생체신호 측정수단으로부터 얻은 상기 2차 생체신호를 저장하는 제7 단계; 및 상기 컴퓨터수단이 상기 제4 단계 및 상기 제7 단계에서 각각 저장한 1차 생체신호 및 2차 생체신호를 분석하고 그 분석한 결과를 디스플레이하여 표시하는 제8 단계;를 포함한다.

구체적으로, 상기 1차 및 2차 생체신호는 자율신경계에서 나타내는 심전도신호, 맥파신호, 피부전도반응신호 및 중추신경계에서 나타내는 뇌파신호를 포함할 수 있다.

상기 제2 단계에서, 상기 컴퓨터수단은 5 ∼ 10분 동안 상기 피측정자의 누운 상태를 유지하도록 설정할 수 있다.

상기 제3 단계에서, 상기 컴퓨터수단은 상기 생체신호 측정수단이 10 ∼ 15분 동안 1차 생체신호를 획득하도록 지시할 수 있다.

상기 제6 단계에서, 상기 컴퓨터수단은 상기 생체신호 측정수단이 10 ∼ 15분 동안 2차 생체신호를 획득하도록 지시할 수 있다.

상기 제8 단계에서, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 우측전두엽에 대한 좌측전두엽의 상대적 활성화를 나타내는 뇌파의 상대적 파워(relative power)를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

상기 제8 단계에서, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 뇌파의 알파파 대역(8~13 Hz)의 파워스펙트럼 증가를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

상기 제8 단계에서, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 심박동변이도 또는 맥파변이도 분석결과 MF/(LF'+HF)의 증가를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

상기 제8 단계에서, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 심박동변이도 또는 맥파변이도 분석결과 LF/HF의 감소를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

상기 제8 단계에서, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 심박동변이도 또는 맥파변이도 분석결과 TP의 증가를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

상기 제8 단계에서, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 심박동변이도 또는 맥파변이도 분석결과 LF와 HF의 면적비와 TP의 크기를 원의 면적 크기로 시각화시킴으로써 생체항상성을 직관적으로 판독가능 하도록 할 수 있다.

상기 제8 단계에서, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 심박동변이도 또는 맥파변이도의 분석결과에서 n번째 피크들 간의 간격을 x좌표로, n+1번째 피크들 간의 간격을 y좌표로 하여 2차원 평면에 plotting 하였을때 형성되는 타원 형태의 분포(Poincare Plot)에서 상기 타원형태 분포의 긴축 방향의 반경길이(standard deviation 2 : SD2)에 대한 짧은축 방향의 반경길이(standard deviation 1 : SD1)의 비율 SD1/SD2의 증가를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

상기 제8 단계에서, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 피부전도반응 분석결과 1분당 특정 피부전도반응 임계치 이상의 빈도수를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

상기 제8 단계에서, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 피부전도반응 분석결과 피부전도반응 크기를 양자화 하여 그 수치를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

상기 제8 단계에서, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 상기 1차 및 2차 생체신호들이 동일한 피측정자로부터 측정된 것이므로 이를 분석한 다차원 생체신호지표들 값이 피측정자의 생체항상성 능력 정도를 서로 간에 일관성 있게 나타내는지를 분석함으로써 데이터의 신뢰성 평가에 활용될 수 있다.

상기 제8 단계에서, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 상기 생체항상성을 나타내는 생체신호지표 각각에 대한 정상인의 데이터로 규격화시킴으로써 정상인의 다차원 생체신호패턴은 정원이 되고 비정상인의 다차원생체신호패턴은 정원에서 벗어나는 다각형패턴이 되므로 비정상적인 생체항상성 특성을 직관적으로 파악할 수 있도록 활용될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 피측정자의 생체항상성 손상정도와 회복정도를 쉽게 자동화로 평가할 수 있으며, 자율신경계 뿐만 아니라 중추신경계의 생체신호 측정결과도 함께 분석함으로써 교감 및 부교감 신경계의 균형도를 평가할 수 있을 뿐 아니라 심혈관계 시스템의 복잡성(건강한 정도)까지 평가할 수 있으므로, 분석결과를 의료분야 뿐만 아니라 일반인의 생체항상성 평가에도 직접 이용할 수 있다. 또한, 생체항상성을 다차원적으로 측정하여 그 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 다차원 생체신호 지표들 간의 일관성을 평가함으로써 측정된 데이터의 신뢰성을 검증할 수 있으며, 평가결과를 다차원 다각형 패턴으로 시각화시킴으로써 생체항상성의 손상과 회복정도를 직관적으로 파악하는데 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에서 생체항상성 회복수단의 일예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법을 구현하기 위한 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명에서 생체신호 측정수단의 다차원 생체신호 전극부착 상태를 평면에서 본 도면이다.
도 5는 본 발명에서 생체신호 측정수단의 다차원 생체신호 전극부착 상태를 측면에서 본 도면이다.
도 6은 생체항상성 회복수단의 사용전과 사용후의 자율신경계 활성도를 나타낸 예시도이다.
도 7은 피측정자 생체신호를 분석한 일실시예로서 심전도로부터 심박동변이도를 분석하여 자율신경계의 활성도를 평가한 그래프 도면이다.
도 8은 위로부터 피측정자의 뇌파 2채널, 피부전도반응 1채널, 맥파 1채널로 구성되는 다차원 생체신호를 나타낸 그래프 도면이다.
도 9는 도 8의 뇌파로부터 좌측 전두엽의 상대적 활성화를 분석하고 (도 9의 위) 도 8의 맥파로부터 MF/(LF'+HF)를 분석하여 (도 9의 아래) 생체항상성을 평가하는 그래프 도면이다.
도 10은 도 8의 맥파로부터 LF/HF를 분석하고 (도 10의 위) 도 8의 맥파로부터 TP를 분석하여 (도 10의 아래) 생체항상성을 평가하는 그래프 도면이다.
도 11은 도 8의 피부전도반응으로부터 임계반응 문턱치 이상의 피부전도반응을 분석하고 (도 11의 위) 도 8의 피부전도반응으로부터 각 1분간의 구역별로 상기 임계반응문터치가 발생한 빈도수를 분석하여 (도 11의 아래) 생체항상성을 평가하는 그래프 도면이다.
도 12는 생체항상성이 정상인의 경우 (정원 패턴)와 비정상인의 경우 (다각형 패턴)각각에 대하여 다차원 생체신호를 분석하여 구한 다차원생체신호 패턴을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법은 자율신경계를 나타내는 심전도, 맥파, 피부전도반응 뿐만 아니라 중추신경계를 나타내는 뇌파도 동시에 측정하여 다차원적 생체신호들의 일관성을 평가하여 그 신뢰성이 검증된 데이터들을 DB로 구축하고 이를 기반으로 생체항상성 회복 정도를 평가하는 기술이다.

이를 구현하기 위한 시스템은 생체항상성 회복수단(10)을 포함한다. 생체항상성 회복수단(10)은 도면과 같이 예를 들면, 안마 기능을 갖는 침대일 수 있다. 생체항상성 회복수단(10)은 안마 기능을 갖는 의자일 수 있으며, 따라서 생체항상성 회복 기능을 갖는 수단이라면 어떤 것도 무방하다.

또한, 시스템은 생체항상성 회복수단(10)에 누운 피측정자의 생체신호(71)를 측정하기 위한 생체신호 측정수단(20)과, 측정된 생체신호를 분석하는 PC나 노트북 등과 같은 컴퓨터수단(30)을 구비한다. 컴퓨터수단(30)은 분석한 결과를 시각화하여 예를 들면, 모니터에 디스플레이하여 표시한다. 컴퓨터수단(30)은 생체항상성 회복수단(10)과 생체신호 측정수단(20)의 작동을 제어한다.

생체신호 측정수단(20)은 사용자의 생체신호(생체전기현상에 의하여 직접 발생되는 생체전기신호와 그렇지 않은 신호를 변환기를 통하여 생체전기신호로 변환시킨 신호를 포함)(71)를 얻기 위한 것으로 의료 및 감성기술 분야에서 사용하는 잘 알려진 기술이므로 상세한 구성은 생략한다. 생체신호 측정수단(20)은 생체항상성 회복수단(10)에 수평으로 누운 피측정자의 각 신체 부위에 전극들을 부착하여 자율신경계에서 나타내는 심전도신호, 맥파신호, 피부전도반응신호 및 중추신경계에서 나타내는 뇌파신호의 다차원 생체신호를 획득한다.

컴퓨터수단(30)은 생체신호 측정수단(20)과 전기적으로 연결되어 측정된 생체신호를 실시간으로 분석할 수 있다.

컴퓨터수단(30)은 교감신경계 신호와 부교감신경계 신호를 분석하는 프로세서, 분석된 자료를 저장하는 저장장치(HDD), 및 분석된 자료를 표시하기 위한 모니터를 포함할 수 있다.

본 발명의 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법은 생체항상성 회복수단(10)에 수평으로 누운 피측정자의 각 신체 부위에 전극들을 부착하여 생체신호 측정수단(20)을 연결하고, 컴퓨터수단(30)의 설정시간 동안 피측정자의 누운 상태를 유지하여 안정화시키는 과정을 포함한다.

피측정자는 지면과 수평으로 위치하고 있는 생체항상성 회복수단(10)에 드러누운 상태에서 생체신호 측정수단(20)과 전기적으로 연결되고, 생체신호 측정수단(20)은 컴퓨터수단(30)에 전기적으로 연결된다.

설정시간이 경과하면, 컴퓨터수단(30)이 생체신호 측정수단(20)에 1차 생체신호의 획득을 지시하고, 생체신호 측정수단(20)은 전극들로부터 1차 생체신호를 획득하여 컴퓨터수단(30)에 전송하며, 컴퓨터수단(30)은 생체신호 측정수단(20)으로부터 얻은 1차 생체신호를 저장한다.

5∼10분(설정시간)간 안정을 취한 뒤 생체신호 측정수단(20)은 컴퓨터수단(30)으로부터 계측 명령을 받아 누운 상태(Supine)에서 10∼15분간 1차 생체신호를 계측하여 컴퓨터수단(30)에 전송한다. 이때, 1차 생체신호(71)는 피측정자가 편안히 누운 상태로서 도 6의 다이어그램(61A)에 나타난 바와 같이 부교감신경계(HF)에 비해 교감신경계(LF)의 활성도가 더 큼을 알 수 있다.

이후, 컴퓨터수단(30)이 생체항상성 회복수단(10)의 작동을 지시하고, 생체항상성 회복수단(10)이 컴퓨터수단(30)의 설정시간 동안 작동하여 피측정자의 생체항상성을 회복시킨다. 생체항상성 회복수단(10)이 예를 들면, 안마기능을 갖는 침대일 경우 누워 있는 피측정자를 부드럽게 안마하여 근육 등을 이완시킴으로써 피측정자의 생체항상성을 회복시킬 수 있다.

이어서, 컴퓨터수단(30)이 생체신호 측정수단(20)에 2차 생체신호의 획득을 지시하고, 생체신호 측정수단(20)은 전극들로부터 2차 생체신호를 획득하여 컴퓨터수단(30)에 전송한다. 컴퓨터수단(30)은 생체신호 측정수단(20)으로부터 얻은 2차 생체신호를 저장한다.

생체신호 측정수단(20)은 10∼15분간 피측정자로부터 2차 생체신호(71)를 계측하여 컴퓨터수단(30)으로 전송한다. 도 6의 다이어그램(61B)에서 확인되는 바와 같이, 컴퓨터수단(30)이 2차 생체수단을 분석한 결과, 1차 생체신호를 분석한 결과보다 비율적으로 부교감신경계(HF)가 교감신경계(LF)에 비해 활성화 비율이 더 높게 나타났고, 전체파워 TP(상기 다이어그램의 전체면적에 해당됨)도 더 커졌음을 확인할 수 있다.

그 다음, 컴퓨터수단(30)이 1차 생체신호 및 2차 생체신호를 분석하고 그 분석한 결과를 디스플레이하여 표시한다.

생체신호 측정수단(20)의 계측이 끝나면, 컴퓨터수단(30)은 도 7에 일시예로 도시된 바와 같이 전송받은 심전도 생체신호(71)의 R-R 간격(71a)들의 시계열 x좌표들을 구하고(71b), 각 시계열에 상응하는 R-R 간격들의 변화(71c)를 나타내는 y좌표들을 구하여, 이 좌표들((x1,y1), (x2,y2), ... , (xn, yn)) 사이를 cubic spline interpolated series(CSIS) 방법으로 보간한 뒤(72), 4Hz로 다시 샘플링(resampling)하여 등간격으로 재구성된 n개의 심박동 변이도 신호 x(n)을 구한다.

그후, 고속푸리에 변환을 하여 주파수영역의 파워스펙트럼을 구한다. 전체 주파수영역(0.04~0.4Hz)의 파워를 전체파워 (total power : TP)로 정의하였고 TP를 주파수 영역에 따라 0.04~0.15Hz 범위의 낮은 주파수영역의 파워를 낮은 주파수 영역의 파워(power in low frequency range: LF), 0.15~0.4Hz 범위의 높은 주파수영역의 파워를 높은 주파수 영역의 파워(power in high frequency range : HF)로 세분화하였다(73).

도 6은 생체항상성 회복을 위해 마련된 생체항상성 회복수단(10)에 대하여 피측정자로부터 측정한 심박동변이도의 전체파워 TP 크기(다이어그램의 전체면적), 그리고 부교감신경계 활성화를 반영하는 파워(다이어그램의 청색면적)와 교감신경계 활성화를 반영하는 파워(다이어그램의 빨강색면적) 각각의 전체파워에 대한 비율을 피측정자가 상기 생체항상성 회복수단(10) 사용전과 사용후를 비교하여 표현한 것이다.

본 발명에서 1차 및 2차 생체신호 계측시간은 60분 이내에서 컴퓨터수단(30)으로부터 피측정자가 입력한 값에 따라 제어 가능하다.

이와 같이 측정자의 심전도 생체신호(71)를 생체항상성 회복수단(10)의 사용 전과 사용 후에 각각 얻어 컴퓨터수단(30)이 분석하면, 도 6에서 생체항상성 회복수단(10)의 사용전보다 사용후 전체파워에 대한 부교감신경계의 파워비율(다이어그램의 파랑색 면적)은 증가했고 전체파워에 대한 교감신경계의 파워비율(다이어그램의 빨강색 면적)은 감소했으며, 전체파워 TP 면적은 증가했음을 알 수 있다.

도 8에 다차원 생체신호 (위로부터 뇌파 2채널, 피부전도반응 1채널, 맥파 1채널)의 raw signal을 나타내었다.

도 9부터 도 11까지에서 중추신경계의 생체항상성 지표로서 우측전두엽에 대한 좌측전두엽의 상대적 활성화를 나타내는 뇌파의 상대적 파워스펙트럼이 증가하고, 자율신경계의 생체항상성 지표로서 피부전도반응이 1분간 0.04 μS 이상의 빈도수가 감소하며, 심박동변이도 또는 맥파변이도 분석결과로부터 부교감신경계가 상대적으로 더욱 활성화 되며 전체 파워스펙트럼이 증가를 나타냄으로써 모든 다차원 생체신호가 피측정자의 생체항상성 능력이 증가하는 정도를 일관성 있게 나타내면, 평가대상의 생체항상성 회복수단(10)의 효능은 입증되는 것이다.

이와 같이 본 발명의 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법은 피측정자의 생체항상성 복원력을 다차원적으로 측정할 수 있고, 정상인 경우로부터 벗어난 정도를 직관적으로 쉽게 평가할 수 있다.

이러한 평가데이터 및 결과는 컴퓨터수단(30)의 저장매체에 저장되거나 모니터의 화면에 도 6의 다이어그램이나 도 12의 다차원 생체신호 패턴 같은 형태로 디스플레이되어 시각적으로 피측정자의 진단 분석을 직관적으로 가능하게 한다.

정리하면, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 우측전두엽에 대한 좌측전두엽의 상대적 활성화를 나타내는 뇌파의 상대적 파워(relative power)를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

또한, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 뇌파의 알파파 대역의 파워스펙트럼 증가를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

또한, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 심박동변이도 또는 맥파변이도 분석결과 MF/(LF'+HF)의 증가를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

또한, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 심박동변이도 또는 맥파변이도 분석결과 LF/HF의 감소를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

또한, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 심박동변이도 또는 맥파변이도 분석결과 TP의 증가를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

또한, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 심박동변이도 또는 맥파변이도 분석결과 LF와 HF의 면적비와 TP의 크기를 원의 면적 크기로 시각화시킴으로써 생체항상성을 직관적으로 판독가능 하도록 할 수 있다.

또한, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 심박동변이도 또는 맥파변이도의 분석결과에서 n번째 피크들 간의 간격을 x좌표로, n+1번째 피크들 간의 간격을 y좌표로 하여 2차원 평면에 plotting 하였을 때 형성되는 타원형태의 분포(Poincare Plot)에서 상기 타원형태 분포의 긴축 방향의 반경길이(standard deviation 2 : SD2)에 대한 짧은축 방향의 반경길이(standard deviation 1 : SD1)의 비율 SD1/SD2의 증가를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

또한, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 피부전도반응 분석결과 1분당 특정 피부전도반응 임계치 이상의 빈도수를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

또한, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 피부전도반응 분석결과 피부전도반응 크기를 양자화 하여 그 수치를 생체항상성 지표로 할 수 있다.

또한, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 상기 1차 및 2차 생체신호들이 동일한 피측정자로부터 측정된 것이므로 이를 분석한 다차원 생체신호지표들 값이 피측정자의 생체항상성 능력 정도를 서로 간에 일관성 있게 나타내는지를 분석함으로써 데이터의 신뢰성 평가에 활용될 수 있다.

또한, 상기 1차 및 2차 생체신호를 분석하는 방법은 상기 생체항상성을 나타내는 생체신호지표 각각에 대한 정상인의 데이터로 규격화시킴으로써 정상인의 다차원 생체신호패턴은 정원이 되고 비정상인의 다차원생체신호패턴은 정원에서 벗어나는 다각형패턴이 되도록 표현함으로써 비정상 특성을 직관적으로 파악할 수 있도록 활용될 수 있다.

상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 생체항상성 회복수단
20: 생체신호 측정수단
30: 컴퓨터수단

Claims

생체항상성 회복수단에 수평으로 누운 피측정자의 각 신체 부위에 전극들을 부착하여 생체신호 측정수단을 연결하는 제1 단계;
컴퓨터수단의 설정시간 동안 상기 피측정자의 누운 상태를 유지하여 안정화시키는 제2 단계;
상기 설정시간이 경과하면, 컴퓨터수단이 상기 생체신호 측정수단에 1차 생체신호의 획득을 지시하고, 상기 생체신호 측정수단은 상기 전극들로부터 1차 생체신호를 획득하여 상기 컴퓨터수단에 전송하는 제3 단계;
상기 컴퓨터수단이 상기 생체신호 측정수단으로부터 얻은 상기 1차 생체신호를 저장하는 제4 단계;
상기 컴퓨터수단이 상기 생체항상성 회복수단의 작동을 지시하고, 상기 생체항상성 회복수단이 상기 컴퓨터수단의 설정시간 동안 작동하여 상기 피측정자의 생체항상성을 회복시키는 제5 단계;
상기 컴퓨터수단이 상기 생체신호 측정수단에 2차 생체신호의 획득을 지시하고, 상기 생체신호 측정수단은 상기 전극들로부터 2차 생체신호를 획득하여 상기 컴퓨터수단에 전송하는 제6 단계;
상기 컴퓨터수단이 상기 생체신호 측정수단으로부터 얻은 상기 2차 생체신호를 저장하는 제7 단계; 및
상기 컴퓨터수단이 상기 제4 단계 및 상기 제7 단계에서 각각 저장한 1차 생체신호 및 2차 생체신호를 분석하고 그 분석한 결과를 디스플레이하여 표시하는 제8 단계;를 포함하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 1차 및 2차 생체신호는 자율신경계에서 나타내는 심전도신호, 맥파신호, 피부전도반응신호 및 중추신경계에서 나타내는 뇌파신호를 포함하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제2 단계에서, 상기 컴퓨터수단은 5 ∼ 10분 동안 상기 피측정자의 누운 상태를 유지하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제3 단계에서, 상기 컴퓨터수단은 상기 생체신호 측정수단이 10 ∼ 15분 동안 1차 생체신호를 획득하도록 지시하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제6 단계에서, 상기 컴퓨터수단은 상기 생체신호 측정수단이 10 ∼ 15분 동안 2차 생체신호를 획득하도록 지시하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제8 단계에서, 상기 1차 생체신호 및 2차 생체신호의 분석은 뇌파를 분석하여 뇌파의 우측전두엽에 대한 좌측전두엽의 상대적 활성화를 나타내는 뇌파의 상대적 파워스펙트럼을 생체항상성 지표로 하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제8 단계에서, 상기 1차 생체신호 및 2차 생체신호의 분석은 뇌파를 분석하여 뇌파의 알파파 대역의 파워스펙트럼 증가를 생체항상성 지표로 하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제8 단계에서, 상기 1차 생체신호 및 2차 생체신호의 분석은 심박동변이도 또는 맥파변이도 분석결과, MF/(LF'+HF)의 증가를 생체항상성 지표로 하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제8 단계에서, 상기 1차 생체신호 및 2차 생체신호의 분석은 심박동변이도 또는 맥파변이도 분석결과, LF/HF의 감소를 생체항상성 지표로 하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제8 단계에서, 상기 1차 생체신호 및 2차 생체신호의 분석은 심박동변이도 또는 맥파변이도 분석결과, TP의 증가를 생체항상성 지표로 하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제8 단계에서, 상기 1차 생체신호 및 2차 생체신호의 분석은 심박동변이도 또는 맥파변이도 분석결과, LF와 HF의 면적비와 TP의 크기를 원의 면적 크기로 시각화시킴으로써 생체항상성을 직관적으로 판독할 수 있도록 하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제8 단계에서, 상기 1차 생체신호 및 2차 생체신호의 분석은 심박동변이도 또는 맥파변이도의 분석결과를 Poincare Plot에 적용하여 구한 타원형태 분포의 긴축 방향의 반경길이 SD2에 대한 짧은축 방향의 반경길이 SD1의 비율 SD1/SD2의 증가를 생체항상성 지표로 하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제8 단계에서, 상기 1차 생체신호 및 2차 생체신호의 분석은 피부전도반응 분석결과, 1분당 특정 피부전도반응 임계치 이상의 빈도수를 생체항상성 지표로 하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제8 단계에서, 상기 1차 생체신호 및 2차 생체신호의 분석은 피부전도반응 분석결과, 피부전도반응 크기를 양자화 하여 그 수치를 생체항상성 지표로 하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제8 단계에서, 상기 1차 생체신호 및 2차 생체신호의 분석은 상기 1차 및 2차 생체신호들이 동일한 피측정자로부터 측정된 것이므로 이를 분석한 다차원 생체신호지표들 값이 피측정자의 생체항상성 능력 정도를 서로 간에 일관성 있게 나타내는지를 분석함으로써 데이터의 신뢰성을 평가하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.
제1 항에 있어서,
상기 제8 단계에서, 상기 1차 생체신호 및 2차 생체신호의 분석은 상기 생체항상성을 나타내는 생체신호지표 각각에 대한 정상인의 데이터로 규격화시킴으로써 정상인의 다차원 생체신호패턴은 정원이 되고 비정상인의 다차원생체신호패턴은 정원에서 벗어나는 다각형패턴이 되도록 표현함으로써 비정상 특성을 직관적으로 파악할 수 있게 하는 다차원 생체신호측정 기반 생체항상성 측정방법.