KR101357824B1

KR101357824B1 - 자전거 운전자의 생체정보 획득 및 모니터링 방법

Info

Publication number: KR101357824B1
Application number: KR1020110125929A
Authority: KR
Inventors: 김정환; 최민준; 최기영; 양동인
Original assignee: 주식회사 라이프사이언스테크놀로지
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2014-02-05
Also published as: KR20130059775A

Abstract

본 발명은 자전거 운전자의 생채정보 획득 및 모니터링방법에 관한 것으로, 자전거 운전자의의 생체정보 획득을 위하여 자전거 핸들바와 운전자 손목에 생체정보획득장치를 구비하여 운전자가 핸들바에 장착된 생체신호센서들로부터 생체신호 획득 중 운전자 미접촉으로 인해 발생된 생체감지신호 끊어짐 발생시 손목의 손목센서부로부터 생체신호로 대체 획득함으로 운전자의 생체신호 측정 중 움직임 또는 접촉불량 등으로 발생된 노이즈 구간에도 생체감지신호가 끊어짐 없이 연속성을 유지하도록 하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 핸들바센서부의 심전도센서 및 손목센서부의 맥파센서로부터 자전거 운전자의 동기된 심전도신호 및 맥파신호를 생체신호모니터링장치에서 각각 획득하는 과정; 각 심전도 및 맥파신호를 분석하여 AD값, R-피크, RRI 및 맥박수를 포함한 각 파라미터값들을 산출하는 과정; 심전도신호로부터 산출된 각 AD값, R피크 임계값, RRI 및 맥박수가 설정된 정상적인 심전도신호 범위에서 벗어난 경우, 운전자 신체 미접촉 오류로 판단하여 맥파신호로부터 AD값, R-피크, RRI 및 맥박수로 대체하여 획득하는 과정; 및 맥파신호로부터 획득된 AD값, R-피크, RRI 및 맥박수가 설정된 정상적인 심전도신호에서 벗어난 경우, 맥파센서의 운전자 미접촉 오류로 판단하는 과정;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

자전거 운전자의 생체정보 획득 및 모니터링 방법 {Method for Emotion Analysis of a Driver}

본 발명은 자전거 운전자의 생체정보를 획득하는 방법에 관한 것으로, 특히 자전거의 핸들 및 워치타입 생체계측기에 장착된 생체신호센서들을 통해 운전자의 다양한 생체정보를 획득하고, 생체정보 획득에 오류가 발생할 경우 다른 위치에서 획득한 생체정보로 선택 획득하도록 하며, 측정된 생체정보를 분석 및 모니터링하여 설정된 기준값 범위를 벗어날 경우 이를 운전자에게 경보하는 자전거 운전자의 생체정보 획득 및 모니터링방법에 관한 것이다.

최근 자전거는 이동수단뿐만 아니라, 건강을 위한 운동수단으로 더 많이 활용되고 있다. 특히, 자동차 사용대수 증가에 따른 공해와 교통문제 해결을 위한 한 방편으로 자전거 이용 활성화를 높이기 위해 각 분야별로 적극적인 관심과 지원이 이루어지고 있다.

즉, 자전거는 이동수단과 운동수단으로서의 가치뿐만 아니라, 자전거는 남녀노소를 불문한 다양한 계층의 사용자들과, 가족단위, 동호회 단위의 각종 단체를 형성하여 여행 등의 레저에 활용됨에 따라 사회적, 문화적으로 우리 생활에 매우 중요한 역할을 하고 있다.

그에 따라 자전거를 중심으로 자전거 주차시설, 자전거 도로 등의 기반시설 뿐만 아니라, 자전거의 분실방지, 위치식별 또는 운전자의 운동 및 건강 상태를 모니터링하기 위한 헬스케어시스템 등의 첨단시스템들이 자전거의 주변기술로 적용되고 있다.

특히, 자전거는 IT와 보건의료 서비스가 결합하여 언제, 어디서나 이용 가능한 건강관리 및 의료 서비스를 위한 유비쿼터스(Ubiquitous) 기반의 u-헬스케어(u-Healthcare) 시스템이 장착되어, 운전자의 질병의 원격관리, 건강 유지 및 향상을 서비스하며, 특히, 자전거 운전자가 운전중 무구속상태로 생체신호를 획득하여 운전자의 건강정보를 분석하여 운전자에게 피드백하거나, 운전자의 건강관리 시스템으로 전송하도록 한 것이다.

종래기술에 따른 u-헬스케어를 위한 자전거는 국내특허공개 제10-2009-0022907(건강관리용 자전거)에 개시되어 있다.

도 1은 종래기술에 따른 건강관리용 자전거의 개략적인 블록 구성도로서, 종래기술에 따른 건강관리용 자전거(10)는 고정식 헬스 자전거로, 자전거 본체 프레임에 사용자가 파지 가능한 손잡이가 마련되어 있으며, 손잡이에는 감지유닛(10), 메모리부(20), 출력유닛(30) 및 제어부(40)가 포함하여 구성된다.

여기서, 감지유닛(10)은 사용자의 맥박을 감지하도록 상기 손잡이에 도전판이 설치되어 양(+)전하, 음(-)전하 등을 입력 받는다

상기 제어부(40)는 A/D 변환부(41)와 비교/판단부(42)를 포함하며, 상기 감지유닛(10)을 통해 실시간으로 측정된 맥박 정보를 상기 메모리부(20)에 저장된 소정 시간(Δt) 이전 맥박 정보와 비교하여, 현재 운동중인 사용자의 건강상태에 문제가 발생하였는지의 여부를 판단한다.

상기 비교/판단부(42)는 상기 A/D 변환부(41)를 통해 변환된 디지털 맥박 신호를 입력받아, 상기 메모리부(20)에 저장된 일정 시간(Δt) 전에 상기 메모리부(20)에 저장된 맥박 신호의 차이를 미분하여 변화율을 계산한다. 상기 시간(Δt)은 사용자의 설정에 의해 1 내지 5초 사이에서, 적절히 변경할 수 있는데, 바람직하게는 3초로 설정하는 것이 좋다.

이처럼 미분을 통해 맥박 변화의 증감에 따른 변화율을 측정하면, 운동중인 사용자의 맥박이 건강에 위협을 줄수 있을 정도로 급격하게 증가 또는 감소하였는지의 여부를 확인할 수 있다.

이와 같이 구성된 종래기술에 따른 건강관리용 자전거는 고혈압 또는 심장병 등이 있는 사용자가 건강관리용 자전거를 이용하여 운동을 하면서, 자신의 심박동의 변화를 실시간으로 확인할 수 있어, 심장에 무리가 오는 것과 같은 건강 이상상태가 발생하였을 경우, 즉시 운동을 멈출 수 있도록 할 수 있는 효과가 있다.

종래기술에 따른 건강관리용 자전거는 운동 중 사용자가 손잡이에 부착된 감지유닛의 접촉점에서 손을 뗄 때, 센서 미접촉(lead fail)으로 인한 노이즈가 발생됨에 따라 노이즈를 포함한 측정된 생체신호를 제거한 후 처음부터 생체신호를 다시 측정하거나, 해당 발생된 노이즈 시간만큼 생체신호를 제거한 후 이후 측정된 생체신호를 이어서 측정할 경우에는 노이즈가 발생된 시간만큼 측정시간이 길어지고, 정확도가 떨어질 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여, 자전거 운전자의의 생체정보 획득을 위하여 자전거 핸들바와 운전자 손목에 생체정보획득장치를 구비하여 운전자가 핸들바에 장착된 바이오센서들로부터 생체신호 획득 중 바이오센서들과의 미접촉(lead fail)으로 인해 발생된 생체감지신호 끊어짐 발생시 손목의 생체정보획득장치로부터 생체신호로 대체 획득함으로 운전자의 생체신호 측정 중 움직임 또는 접촉불량 등으로 발생된 노이즈 구간에도 생체감지신호가 끊어짐 없이 연속성을 유지하도록 하는 자전거 운전자의 생채정보 획득 및 모니터링방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 자전거 핸들바와 운전자의 손목에서 획득된 심전도/맥파신호를 모니터링하며, 산출된 현재 맥박수가 설정된 위험수준으로 판단될 경우 위험정도에 따라 운전자로 하여금 운동중지 경보 또는 자가 호흡 유도를 위한 안내음성을 출력하여 운전자로 하여금 위험상태를 인지하도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 자전거 운전자의 생체정보 획득 및 모니터링과정은 자전거 핸들바에 접촉된 운전자의 손바닥으로부터 생체정보 획득을 위한 심전도센서가 포함된 핸들바센서부와, 자전거 운전자의 손목으로부터 생체정보 획득을 위한 맥파센서가 포함된 손목센서부로부터 각각 심전도 및 맥파신호(ECG)(PPG)를 입력받은 생체신호모니터링장치에 의해 신호처리 및 분석과정을 통해 AD(Analog/Digital)값, R-피크(R-peak), RRI(R-R peak Interval) 및 맥박수(HR)를 포함한 각 파라미터값을 산출하는 자전거 운전자의 생체정보 획득방법에 있어서, 상기 핸들바센서부의 심전도센서 및 손목센서부의 맥파센서로부터 자전거 운전자의 동기된 심전도신호 및 맥파신호(ECG)(PPG)를 생체신호모니터링장치에서 각각 획득하는 생체신호획득과정; 상기 생체신호모니터링장치는 심전도 및 맥파센서로부터 획득된 각 심전도 및 맥파신호(ECG)(PPG)를 분석하여 AD값, R-피크, RRI 및 맥박수를 포함한 각 파라미터값들을 산출하는 생체신호분석과정; 상기 심전도센서로부터 산출된 각 AD값, R피크 임계값, RRI 및 맥박수가 설정된 정상적인 심전도신호 범위에서 벗어난 경우, 상기 심전도센서의 운전자 신체 미접촉 오류로 판단하여 상기 심전도신호(ECG)와 동기된 맥파신호(PPG)로부터 AD값, R-피크, RRI 및 맥박수로 대체하여 획득하는 생체신호대체과정; 및 상기 생체신호대체과정에서 맥파신호(PPG)로부터 획득된 AD값, R-피크, RRI 및 맥박수가 설정된 정상적인 심전도신호에서 벗어난 경우, 맥파센서의 운전자 미접촉 오류로 판단하여 상기 생체신호획득과정으로 리턴하는 리턴과정;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 생체신호분석과정은 각 심전도 및 맥파센서로부터 획득된 심전도/맥파신호로부터 디지털값(AD), R피크 임계값, RRI 및 맥박수를 순차적으로 각각 산출하고, 상기 생체신호대체과정에서 심전도센서로부터 산출된 각 파라미터 값이 설정된 범위에서 벗어날 경우 해당 파라미터값 이후의 파라미터값들은 맥파센서로부터 산출된 파라미터값을 선택 획득하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 생체신호대체과정 및 리턴과정에서 상기 심전도신호 및 PPG신호(ECG)(PPG)로부터 산출된 각 파라미터를 통해 획득된 심전도/맥파신호가 정상범위 인지를 판단하되, 상기 AD값은 정상적인 심전도/맥파신호로 판단하기 위해 설정된 최소, 최대 전압레벨 이내인지를 판단하며, 상기 R-피크는 정상적인 심전도/맥파신호로 판단하기 위한 설정된 임계값 이상인지를 판단하며, 상기 RRI는 하나의 RRI의 디지털 변환된 샘플링 개수가 정상적인 심전도/맥파신호로 판단하기 위해 설정된 최소, 최대 개수 이내인지를 판단하며, 상기 HR값은 현재까지 측정된 맥박수의 평균값(Averaged HR)과 현재 맥박수의 차이(Averaged HR - HR)가 설정된 기준값이내 일 경우에는 유효한 맥박수로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 각 과정을 통해 산출된 맥박수의 변화율를 연산하여 설정된 값 이상의 급격한 상승으로 판단될 경우에는 운동을 멈추도록 표시창 및 음성출력부를 통해 운전자에게 경보하는 한편, 상기 각 과정을 통해 산출된 맥박수의 변화율를 연산하여 설정된 위험 맥박수까지 완만히 상승한 것으로 판단될 경우에는 이를 상기 표시창을 통해 표시하고, 음성출력부를 통해 운전자에게 심박 안정화를 위해 자가 호흡유도 안내음성을 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자전거 운전자의 생체정보 획득방법은 심전도센서를 핸들바와 손목센서부에 장착하여 운전자가 생체정보측정 중 움직임으로 인해 핸들바에 장착된 심전도센서로부터 미접촉이 발생된다 할지라도 손목센서부에 장착된 맥파센서를 통해 획득된 PPG 데이터 및 이를 통해 산출된 파라미터를 이용하므로, 심전도 데이터로부터 파라미터 산출을 위해 심전도 데이터 획득을 처음부터 다시 시작할 필요없이 연속해서 필요한 파라미터들을 획득할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 상기 획득된 심전도/맥파센서로부터 획득된 ECG/PPG신호로부터 맥박수를 산출하고, 산출된 맥박수가 위험 수준일 경우 이를 경보하되, 맥박수가 짧은 시간 급격히 상승한 경우에는 운동중지 경보를 하고, 서서히 증가한 경우에는 자가 호흡유도 안내 음성을 출력하여 운전자로 하여금 심박 안정화를 유지하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 건강관리용 자전거의 개략적인 블록 구성도이고,
도 2는 본 발명을 구현하기 위한 자전거 운전자의 생체정보 획득시스템의 구성도이고,
도 3은 본 발명을 구현하기 위한 자전거 운전자의 생체정보 획득장치의 상세 블록 구성도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자전거 운전자의 생체정보 획득과정의 흐름도이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자전거의 핸들바 및 손목센서부에 장착된 각 심전도/맥파센서로부터의 심전도/맥파 파형 및 노이즈보상 표시도 이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자전거 운전자의 위험 맥박수 감지에 따른 경보과정의 흐름도이다.

본 발명의 실시예에 따른 자전거 운전자의 생체정보 획득방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명을 구현하기 위한 자전거 운전자의 생체정보를 획득하기 위한 생체정보회득 시스템의 구성도로서, 자전거(100) 운전 중 운전자의 손바닥으로부터 다양한 생체정보 획득을 위한 바이오센서들(110)을 탑재한 핸들바(101)와, 자전거 운전자의 손목에 착용하여 운전자의 다양한 생체정보를 획득하기 위한 손목센서(120)들을 탑재한 손목시계(watch)형상의 워치타입 생체계측기(102)와, 상기 핸들바(101)에 탑재된 바이오센서들(110)과 상기 워치타입 생체계측기(102)로부터 측정된 심박수, 체지망, 피부전기저항 등의 생체신호를 수집 및 분석하여 표시창에 표시하며, 수집 및 분석된 심박수가 위험수준에 이를 경우 이를 음성 또는 표시창을 통해 경보하는 생체신호 모니터링장치(200)로 구성된다.

여기서, 상기 핸들바(110)는 상기 자전거의 핸들에 착탈 가능하며, 탑재된 핸들바센서부(110)는 상기 생체신호 모니터링장치(200)와 유선 또는 무선으로 데이터를 전송하도록 구성한다.

상기 워치타입 생체계측기(102)는 상기 생체신호 모니터링장치(200)와 RF 또는 지그비, 블루투스 등의 무선 데이터 전송방식으로 연결 구성되어 있다.

도 3은 도 2의 생체정보 획득장치의 상세 블록구성도로서, 상기 핸들바(101)에 장착된 핸들바센서부(110)는 운전자의 손바닥과 접촉된 심전도센서(111), 제1피부전기저항센서(112), 피부온도센서(113) 및 체지방센서(114)로 구성된다.

상기 워치타입 생체계측기(102)에 탑재된 손목센서부(120)는 손목과 접촉된 맥파센서(121), 제2피부전기저항센서(122) 및 상기 측정된 생체신호를 상기 생체신호 모니터링장치(200)로 전송하기 위한 무선송신부(123)로 구성된다.

상기 생체신호 모니터링장치(200)는 상기 핸들센서부(110)의 각 센서(111~114)로부터 수신된 센서신호들(ECG1, GSR1, SKT, BMI)을 입력받아 디지털신호로 변환하는 A/D변환부(201)와, 상기 손목센서부(120)로부터 전송된 무선 생체신호를 입력하는 무선수신부(202)와, 상기 A/D변환부(201)와 무선수신부(202)를 통해 입력된 생체신호 중 정확한 생체신호를 선택 획득하고, 획득된 운전자의 현재 건강상태 등을 판단하기 위한 파라미터를 산출 및 분석하는 마이크로콘트롤러(203)와, 상기 마이크로콘트롤러(203)의 제어에 의하여 운전자 상태정보 및 생체정보를 저장하는 메모리부(204)와, 상기 마이크로콘트롤러(203)에서 산출된 운전자의 건강상태 정보 및 생체정보를 표시하는 표시부(LCD)(206)와, 상기 마이크로콘트롤러(203)의 제어에 의하여 운전자의 맥박수 변동에 따른 위험경보 및 자가호흡 유도 안내음성을 출력하는 음성출력부(206)와, 상기 마이크로콘트롤러(203)로부터의 신호를 외부로 전송하기 위한 통신부(207)로 구성된다.

여기서, 핸들바(101)에 장착된 심전도센서(111)는 핸들바(101)의 좌,우측에 한 개씩의 접점으로 이루어져 운전자가 양 손바닥으로 핸들을 잡았을 경우 각 접점으로부터 운전자의 양 손바닥을 통해 운전자의 신체에 흐르는 전류로부터 심전도신호(ECG)를 획득하게 되며, 상기 워치타입 생체계측기(102)에 장착된 맥파센서(121)는 운전자의 손목과 접촉되는 위치에 부착된 맥파센서로 구성되어 있다.

한편, 상기 워치타입 생체계측기(102)는 탑재된 맥파센서(121)를 통해 운전자의 손목으로부터 맥파신호(PPG)를 획득하고, 제2피부전기저항센서(112)를 통해 운전자의 제2피부전기저항신호(GSR2)를 감지하여 상기 무선송신부(123)를 통해 상기 생체신호모니터링장치(200)로 전송한다.

또한, 상기 생체신호모니터링장치(200)는 핸들바센서부(110)의 심전도센서(111)에서 운전자로부터 획득된 심전도신호(ECG), 제1피부전기저항센서(112)으로부터 획득된 운전자의 피부전기저항값(GSR1), 피부온도센서(113)를 통해 획득된 운전자의 손바닥의 피부온도(ST: Skin Temperature) 및 체지방센서(114)에서 측정된 체지방값(BMI)을 각각 상기 A/D변환부(201)를 통해 마이크로콘트롤러(203)로 입력받아 생체신호를 분석하여 운전자의 건강상태를 판단한다.

여기서 본 발명은 마이크로콘트롤러(203)에서 핸들바(101)에 장착된 심전도센서(111)와 워치타입 생체계측기(102)에 장착된 맥파센서(121)로부터 획득된 각 심전도/맥파신호(ECG)(PPG)를 입력받아, 심전도센서(111)로부터의 심전도신호(ECG)가 노이즈로 판단될 경우, 이를 맥파센서(121)로부터의 맥파신호(PPG)로 대체하여 필요한 파라미터를 산출하도록 하므로, 운전자의 손이 핸들바(101)에 장착된 심전도센서(111)과의 미접촉(lead fail)으로 인한 노이즈가 발생할 경우에도 심전도신호의 연속성을 유지하도록 한 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자전거 운전자의 생체정보 획득과정의 흐름도로서, 자전거 운전자가 자동 또는 수동으로 선택한 생체정보측정 모드가 실행되면, 상기 핸들바(102)에 장착된 심전도센서(111) 및 워치타입 생체계측기(102)에 장착된 맥파센서(121)가 구동되어, 동기된 심전도/맥파신호(ECG)(PPG)를 각각 측정하기 시작한다.(S101)

상기 마이크로콘트롤러(203)는 상기 심전도 및 맥파센서(111)(121)로부터 획득된 각 심전도/맥파신호(ECG)(PPG)는 R-피크값, RRI 및 HR값 산출하고 저장하는 과정을 각각 수행한다.(S111~S127)(S131~S147)

상기 각 과정에 대하여 도 3을 참고하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 마이크로콘트롤러(203)는 핸들바(101)에 장착된 심전도센서(111)로부터의 획득된 심전도신호(ECG)가 A/D변환부(201)을 통해 디지털값(AD)으로 변환되어 입력받는다.(S111)

상기 변환 입력된 디지털값(AD)들이 정상적인 심전도 신호인지를 판단하게 된다. 즉, 입력된 디지털값(AD)의 레벨이 일반적인 사람의 정상기준 범위를 설정하여 설정된 정상범위 인지를 판단한다.

예를 들어, A/D변환부(201)가 10bit로 구동되는 회로일 경우, 전압레벨이 1024 레벨까지 측정 가능하며, 이때 정상 범위의 레벨을 최소 45, 최대 300으로 설정하고, 그 범위 이내일 경우에만 정상적인 심전도신호로 판단하고, 설정된 범위를 벗어나면 운전자의 센서 미접촉(lead fail)등의 오류로 판단하게 된다. 여기서, 디지털값의 최소/최대값은 임의 설정이 가능하다.

만약, 사용자의 센서 미접촉(lead fail)으로 판단된(S113) 디지털값(AD)의 개수가 일정 시간동안 지속되면(약 20개 초과) 노이즈로 판단하여 보상과정(S133~S147)을 수행한다.

여기서, 운전자의 핸들바(101) 좌,우측에 각 접점을 통해 심전도신호를 측정하는 심전도센서(111)의 미접촉(lead fail) 오류는 핸들바(101)의 좌,우측에 장착된 각 센서접점에 처음부터 운전자의 양손이 모두 미접촉 되는 경우 또는, 양손 중 어느 한 손만 미접촉 된 경우 또는 처음에는 양손이 모두 정상적으로 접촉되었으나, 상기 각 파라미터(R-피크, RRI, HR값)값을 모두 획득하기 전에 양손 모두 또는 어느 한 손이 미접촉될 경우에도 정확한 심전도신호를 획득할 수 없어, 보상과정을 수행하게 된다.

상기 보상과정(S133~S147)은 상기 심전도신호(ECG)와 동기된 상기 손목센서부(120)의 맥파센서(121)로부터의 맥파신호(PPG)에서 디지털값(AD)을 획득하고, R-피크값, RRI 및 HR값을 산출 저장하는 것이다.(S133~S147)

만약, 상기 마이크로콘트롤러(203)에 입력된 상기 심전도신호(ECG)의 디지털변환값(AD)이 설정된 기준 범위(45≤AD≤300)일 경우에는 정상적인 심전도신호로 판단하여 저역 및 고역통과필터를 통해 고역 및 저역대의 주파수 성분을 갖는 노이즈를 제거한 후, 1차 미분 및 제곱근 연산과정을 수행하고, 포락선검출 알고리즘을 통해 R-피크를 추출하게 된다.(S115)(S117)

이때, 포락선 검출 알고리즘을 통해 검출된 R-피크값이 설정된 포락선의 임계값(threshold) 이하 일 경우에는 사용자의 심전도센서(111) 미접촉 오류로 판단하고(S119), 상기 손목센서부(120)의 맥파센서(121)에서 산출된 맥파신호(PPG)의 R-피크값이 설정된 포락선의 임계값 이상인지를 판단하고(S139), 임계값 이상이면 상기 맥파신호(PPG)의 RRI 및 HR값을 산출과정을 수행한다.(S141~S147)

그러나, 만약 상기 맥파센서(121)에서 산출된 맥파신호(PPG)의 R-피크값이 설정된 포락선의 임계값 이하일 경우에는 상기 최초 생체정보 측정단계(S101)로 리턴하여 상기 심전도 및 맥파센서(111)(121)로부터 해당 심전도/맥파신호(ECG)(PPG) 획득 및 각 파라미터(AD, R-피크, RRI, HR) 산출을 다시 시작한다.(S101~S127)(S131~S147)

상기 포락선 검출 알고리즘을 통해 검출된 심전도신호(ECG)의 R-피크값이 설정된 포락선의 임계값(threshold) 이상일 경우에는 RRI를 획득하기 시작한다.(S121)

상기 획득된 심전도신호(ECG)에서 하나의 RRI의 샘플링 개수를 설정된 정상 범위인지를 판단한다. 예를 들어, 샘플링 개수를 최소(70), 최대(300)로 설정했다면 설정된 정상 범위에 있으면, 정상적인 RRI로 판단하여 현재 맥박수(HR)를 산출한다.(S123)(S125) 여기서, RRI의 정상적인 최소, 최대 샘플링 수는 사용자 임의 설정이 가능하다.

만약, 심전도신호(ECG)의 획득된 RRI의 샘플링 수가 설정된 정상 범위를 벗어난 경우(RRI≤70, 300≤RRI)에는 상기 맥파신호(PPG)로부터의 RRI 샘플링 수가 설정된 정상범위 이내 인지를 판단한다.(S143) 한편, 설정된 샘플링 수 이내일 경우에는 정상적인 RRI로 판단하고, 상기 맥파신호(PPG)의 해당 RRI로부터 현재 맥박수(HR)를 획득 및 저장하게 된다.(S145)(S147)

그러나, 상기 맥파신호(PPG)의 RRI 샘플링 수가 설정된 기준범위를 벗어난 경우(RRI≤70, 300≤RRI)에는 맥파센서(121)의 맥파신호(PPG) 획득 실패로 판단하여 상기 최초 생체신호 측정단계(S101)로 리턴하여 상기 심전도센서(111)로부터 해당 심전도신호(ECG) 획득 및 각 파라미터(AD, R-피크, RRI, HR) 산출을 다시 시작한다.(S101)

상기 심전도신호(ECG)의 RRI의 샘플링 수가 정상적인 범위 이내(70<RRI<300)일 경우에는 맥박수(HR)를 산출하기 위한 정상적인 RRI로 판단하고, 현재까지 측정된 맥박수의 평균값(Averaged HR)과 현재 맥박수의 차이(Averaged HR - HR)가 설정된 기준값(+15, -15)이내 일 경우에는 정상적인 맥박수로 판단하여 해당 맥박수(HR)을 저장하며, 다시 최초 생체신호 측정단계(S101)로 리턴한다.(S127)

한편, 상기 심전도신호(ECG)의 산출된 현재 맥박수(HR)와 현재까지의 평균 맥박수(Average)와의 차이값(Averaged HR - HR)이 설정된 범위(+15, -15)에서 벗어날 경우(S125)에는, 상기 맥파신호(PPG)의 현재 측정된 맥박수와 평균 맥박수 차이값(Averaged HR - HR)이 설정된 범위(+15, -15) 이내인지를 판단한다.(S145) 만약, 설정된 범위(+15,-15) 이내 일 경우에는 맥파신호(PPG)의 현재 산출된 맥박수(HR)를 저장 한 후 상기 최초 생체신호 측정단계(S101)로 리턴한다.(S145)(S147)

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 사용자의 심전도센서(111) 미접촉 오류 발생시 심전도신호(ECG)의 해당 영역에서 노이즈로 판단하고, 맥파센서로부터의 맥파신호(PPG)로 보상하는 과정을 설명하기 위한 심전도 파형도이다.

즉, 심전도센서(111)에서 획득된 심전도신호(ECG)로부터 디지털변환값, R-피크검출, RRI 및 HR값을 획득하는 과정(S111~S127)을 수행하게 되는데, RRI 획득 중에 운전자의 심전도센서(111) 미접촉으로 인해 상기 노이즈 영역(Noise)이 발생되어 연속적인 RRI를 획득하지 못하는 오류가 발생하게 된다.

이때, 상기 심전도센서(111)와 함께 측정중인 맥파센서(121)로부터의 맥파신호(PPG)에서 획득된 RRI로 보상하여 연속적인 RRI를 산출하게 되며, 그에 따라 정상적인 HR값을 산출할 수 있게 된다.

상기 과정으로 산출된 파라미터들(R-피크, RRI, HR값)을 이용하여 심박변이도(HRV)를 산출하고, 이는 스트레스, 감성, 자율신경계의 활성유무를 정량화 할 수 있는 분석지표인 SDNN, HRV-index, LF/HF 등의 파라미터를 산출하는데 이용하게 된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 모니터링 중 맥박수 위험상태 경보과정의 흐름도로서, 생체정보획득과정을 통해 산출된 HR값의 모니터링 과정을 통해 위험 맥박수로 판단되면 이를 운전자에게 경보하도록 한다.(S151~S161)

보다 상세하게는, 상기 생체정보획득과정을 통해 산출된 현재 HR값은 상기 메모리부(204)에 기 저장된 위험상태 HR값과 비교한다.(S151)

상기 현재 HR값과 위험상태 HR값의 비교결과 위험상태 수치로 판단될 경우, 시간당 변화율을 산출한다.(S153)(S155) 만약, 설정된 변화율보다 짧은시간의 급격한 변화로 판단될 경우, 상기 표시부(205) 및 음성출력부(206)를 통해 운전자에게 경보한다.(S157)

즉, 상기 표시부(205)를 통한 운동중지 경보화면과, 상기 음성출력부(206)를 통해 운동정지 경보 음성을 출력하여 운전자로 하여금 위험상태를 자각하도록 한다.(S159)

상기 현재 위험상태로 판단된 HR값의 변화율이 점진적인 변화로 판단될 경우 상기 표시부(205)를 통해 이를 경보하고, 음성출력부(206)를 통해 심박안정을 위한 자가호흡 유도 안내음성을 출력하므로, 운전자는 자신의 현재 심박수 위험상태를 인지할 뿐만 아니라, 안내 음성에 따라 호흡수를 조절하도록 하므로 정상 심박수로 낮추도록 한다.(S161)

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 자전거 운전자의 생체정보 획득및 모니터링방법은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 맥파센서(121)로부터 획득된 맥파신호(PPG)를 기준으로 하여 상기 각 파라미터(AD, R-피크, RRI, HR값)를 획득하거나, 심전도/맥파신호(ECG)(PPG)가 미접촉 오류가 발생했는지를 판단하기 위한 디지털 변환값의 설정범위, R-피크값의 임계값 범위, RRI의 정상 검출 횟수범위 또는 HR과 평균 HR과의 정상 범위 등은 사용자 임의로 설정 가능하다.

이와 같이, 본 발명은 구성 또는 정상범위 기준값 변경 등에 따라 다양하게 변경가능하며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 그 기술적 정신이 있다.

100 : 자전거 101 : 핸들바
102 : 워치타입 생체계측기 110 : 핸들바센서부
111,121 : 심전도 및 맥파센서 112,122 : 제1, 제2피부전기저항
113 : 피부온도센서 114 : 체지방센서
131 : 압력센서 120 : 손목센서부
123 : 무선송신부 200 : 생체신호 모니터링장치
201 : A/D변환부 203 : 마이크로콘트롤러
204 : 메모리부 205 : 표시부
206 : 음성출력부 207 : 통신부

Claims

자전거 핸들바에 접촉된 운전자의 손바닥으로부터 생체정보 획득을 위한 심전도센서(111)가 포함된 핸들바센서부(110)와, 자전거 운전자의 손목으로부터 생체정보 획득을 위한 맥파센서(121)가 포함된 손목센서부(120)로부터 각각 심전도 및 맥파신호(ECG)(PPG)를 입력받은 생체신호모니터링장치(200)에 의해 신호처리 및 분석과정을 통해 AD(Analog/Digital)값, R-피크(R-peak), RRI(R-R peak Interval) 및 맥박수(HR)를 포함한 각 파라미터값을 산출하는 자전거 운전자의 생체정보 획득방법에 있어서,
상기 핸들바센서부(110)의 심전도센서(111) 및 손목센서부(120)의 맥파센서(121)로부터 자전거 운전자의 동기된 심전도신호 및 맥파신호(ECG)(PPG)를 생체신호모니터링장치에서 각각 획득하는 생체신호획득과정;
상기 생체신호모니터링장치(200)는 심전도 및 맥파센서(111)(121)로부터 획득된 각 심전도 및 맥파신호(ECG)(PPG)를 분석하여 AD값, R-피크, RRI 및 맥박수를 포함한 각 파라미터값들을 산출하는 생체신호분석과정;
상기 심전도센서(111)로부터 산출된 각 AD값, R피크 임계값, RRI 및 맥박수가 설정된 정상적인 심전도신호 범위에서 벗어난 경우, 상기 심전도신호(ECG)와 동기된 맥파신호(PPG)로부터 AD값, R-피크, RRI 및 맥박수로 대체하여 획득하는 생체신호대체과정; 및
상기 생체신호대체과정에서 맥파신호(PPG)로부터 획득된 AD값, R-피크, RRI 및 맥박수가 설정된 정상적인 심전도신호에서 벗어난 경우, 맥파센서(121)의 운전자 미접촉 오류로 판단하여 상기 생체신호획득과정으로 리턴하는 리턴과정;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자전거 운전자의 생체정보 획득방법.
제 1 항에 있어서,
상기 생체신호분석과정, 생체신호대체과정 및 리턴과정에서 상기 심전도 및 맥파신호(ECG)(PPG)로부터 산출된 각 파라미터를 통해 획득된 심전도 및 맥파신호가 정상범위 인지를 판단하되,
상기 AD값은 정상적인 심전도 및 맥파신호로 판단하기 위해 설정된 최소, 최대 전압레벨 이내인지를 판단하며,
상기 R-피크는 정상적인 심전도 및 맥파신호로 판단하기 위한 설정된 임계값 이상인지를 판단하며,
상기 RRI는 하나의 RRI의 디지털 변환된 샘플링 개수가 정상적인 심전도 및 맥파신호로 판단하기 위해 설정된 최소, 최대 개수 이내인지를 판단하며,
상기 맥박수(HR)는 현재까지 측정된 맥박수의 평균값(Averaged HR)과 현재 맥박수의 차이(Averaged HR - HR)가 설정된 기준값 이내 일 경우에는 유효한 맥박수로 판단하는 것을 특징으로 하는 자전거 운전자의 생체정보 획득방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 생체신호분석과정은 상기 심전도 및 맥파신호(ECG)(PPG)로부터 AD값, R-피크 임계값, RRI 및 맥박수를 순차적으로 각각 산출하고,
상기 생체신호대체과정은 상기 심전도신호(ECG)로부터 산출된 각 파라미터 값이 설정된 범위에서 벗어날 경우 설정범위에서 벗어난 파라미터값 이후의 파라미터값들은 맥파신호(PPG)로부터 산출된 파라미터값을 선택 획득하는 것을 특징으로 하는 자전거 운전자의 생체정보 획득방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 생체신호대체과정은 획득된 심전도신호(ECG)의 디지털값(AD)이 설정된 범위를 벗어난 경우 상기 맥파신호(PPG)의 디지털값의 설정범위를 확인하는 1단계;
상기 맥파신호(PPG)의 디지털값이 설정된 범위 이내 일 경우 상기 맥파신호(PPG)로부터 R-피크 검출, RRI획득, 및 맥박수를 각각 순차적으로 산출하는 2단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자전거 운전자의 생체정보 획득방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 생체신호대체과정은 상기 심전도신호(ECG)의 디지털값(AD)이 설정된 범위 이내일 경우 산출된 R-피크값이 설정된 임계값 이하일 경우 상기 심전도신호(ECG)로부터 산출된 R-피크값이 설정된 임계값 이상인지를 확인하는 1단계;
상기 맥파신호(PPG)의 R-피크값이 설정된 임계값 이상일 경우, 맥파신호(PPG)로부터의 RRI 및 맥박수를 순차적으로 산출하는 2단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자전거 운전자의 생체정보 획득방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 생체신호대체과정은 심전도신호(ECG)의 디지털값(AD), R-피크값이 설정된 범위 이내이고, 상기 산출된 RRI가 설정된 범위에서 벗어난 경우 상기 맥파신호(PPG)의 RRI가 설정된 범위 이내인지를 확인하는 1단계; 및
상기 맥파신호(PPG)의 RRI가 설정된 범위 이내일 경우, 맥파신호(PPG)로부터의 맥박수를 산출하는 2단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자전거 운전자의 생체정보 획득방법.
제 1 항에 있어서,
상기 생체신호대체과정은 심전도센서(111)로부터 획득된 심전도신호(ECG)의 디지털값(AD), R-피크값, RRI가 설정된 범위 이내이고, 상기 산출된 맥박수가 설정된 범위에서 벗어난 경우 상기 맥파신호(PPG)의 맥박수가 설정된 범위 이내인지를 확인하는 단계;
상기 맥파신호(PPG)의 맥박수가 설정된 범위 이내일 경우, 맥파신호(PPG)의 맥박수를 저장하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자전거 운전자의 생체정보 획득방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 각 과정을 통해 산출된 맥박수가 기 설정된 위험 맥박수로 판단될 경우 시간당 맥박수 변화율를 연산하여 설정된 위험 변화율 이상의 급격한 상승으로 판단되면 운동을 멈추도록 표시창 및 음성출력부를 통해 운전자에게 경보하는 맥박수 모니터링과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자전거 운전자의 생체정보 획득 및 모니터링방법.
제 1 항에 있어서,
상기 각 과정을 통해 산출된 맥박수가 기 설정된 위험 맥박수로 판단될 경우 시간당 맥박수 변화율를 연산하여 기 설정된 위험변화율 이하로 판단되면, 이를 상기 생체신호모니터링장치(200)의 표시창을 통해 표시하고, 음성출력부를 통해 운전자에게 심박 안정화를 위해 기 저장된 자가호흡 유도 안내음성을 출력하는 맥박수 모니터링과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자전거 운전자의 생체정보 획득 및 모니터링방법.