KR101409800B1

KR101409800B1 - 맥파로 얻어진 맥파형의 주파수 분석을 통한 호흡성분 추출장치 및 방법

Info

Publication number: KR101409800B1
Application number: KR1020120125828A
Authority: KR
Inventors: 조현성; 이상석
Original assignee: 상지대학교산학협력단
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2014-06-24
Also published as: KR20140059404A

Abstract

본 발명은 맥파로 얻어진 맥파형의 주파수 분석을 통한 호흡성분 추출장치 및 방법에 있어서, 특히 맥파 측정부를 이용하여 맥파를 검출하고, 아울러 검출된 맥파를 필터링 및 고속 퓨리에 변환을 거쳐 별도의 하드웨어 없이 맥파 측정부만을 이용하여 사용자의 호흡수를 보다 정밀하게 측정토록 하는 것을 특징으로 하는 맥파로 얻어진 맥파형의 주파수 분석을 통한 호흡성분 추출장치 및 방법에 관한 것으로,
손가락 끝에 설치되며, 동맥혈의 산화헤모글로빈(HbO₂)이 적외선(IR) 대역의 광을 흡수하는 특성을 이용한 광전식맥파계(Photo-plethysmography)를 이용하여 사용자의 용적맥파를 검출하기 위한 맥파 측정부와; 상기 맥파 측정부에서 측정된 데이터 신호중에서 0.1Hz 이상의 주파수 대역만을 통과시키는 고역통과필터와; 상기 고역통과필터를 통과한 신호 데이터를 복소수(complex number) 연산을 통해 고속 푸리에 변환을 수행하는 고속 푸리에 변환 프로세서와; 상기 고속 푸리에 변환 프로세서를 통해 수행된 데이터에서 피크치를 검출하여 호흡수를 판단하기 위한 호흡수 추출부를 포함하여 구성함이 특징이다.

Description

맥파로 얻어진 맥파형의 주파수 분석을 통한 호흡성분 추출장치 및 방법{A Respiration Ingredient Extraction Unit Using Pulse Wave and Method Thereof}

본 발명은 맥파로 얻어진 맥파형의 주파수 분석을 통한 호흡성분 추출장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 맥파 측정부를 이용하여 맥파를 검출하고, 아울러 검출된 맥파를 필터링 및 고속 퓨리에 변환을 거쳐 별도의 하드웨어 없이 맥파 측정부만을 이용하여 사용자의 호흡수를 보다 정밀하게 측정토록 하는 것을 특징으로 하는 맥파로 얻어진 맥파형의 주파수 분석을 통한 호흡성분 추출장치 및 방법에 관한 것이다.

인간의 기본수명이 증가하면서 세계적으로 고령화가 진행되고 있으며, 이에 따라 의료에 대한 관심과 기술이 높아지고 있다.

한의학에서 정의하는 맥파는 수십가지가 되며, 그 중에서 현재 과학적으로 알려진 맥파는 몇가지가 있다.

그러나, 호흡수와 관련된 진단항목에 있어서는 호흡수를 별도의 하드웨어장치를 이용하여 측정하는바, 이에 따라 별도의 장비를 갖추어야 하는 불편함이 있었다.

즉, 심장과 같은 속도로 구현되는 맥파의 분석에 있어서 맥파의 모양이 항상 변화하는 것은 잘 알려져 있지만 이러한 변화로 인하여 맥파 데이터를 분석함에 있어서 호흡 신호를 정밀하게 파악하는 시스템이 현재 없어서 별도의 하드웨어 장비를 이용하여 호흡수를 판단하고 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결코자 하는 것으로, 광전식 용적맥파계를 이용하여 맥파를 검출하고, 검출된 맥파에서 일정한 대역 이내에서 필터링을 시행하며, 필터링된 신호를 고속 퓨리에 변환을 통해 호흡수를 판별토록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 발명은 손가락 끝에 설치되며, 동맥혈의 산화헤모글로빈(HbO₂)이 적외선(IR) 대역의 광을 흡수하는 특성을 이용한 광전식맥파계(Photo-plethysmography)를 이용하여 사용자의 용적맥파를 검출하기 위한 맥파 측정부(100)와; 상기 맥파 측정부에서 측정된 데이터 신호중에서 0.1Hz 이상의 주파수 대역만을 통과시키는 고역통과필터(200)와; 상기 고역통과필터를 통과한 신호 데이터를 복소수(complex number) 연산을 통해 고속 푸리에 변환을 수행하는 고속 푸리에 변환 프로세서(300)와; 상기 고속 푸리에 변환 프로세서를 통해 수행된 데이터에서 피크치를 검출하여 호흡수를 판단하기 위한 호흡수 추출부(400)를 포함하여 구성함이 특징이다.

또한, 인체의 코 밑에 설치하여 들숨과 날숨시 발생하는 온도편차를 이용하여 실제 호흡신호를 판별하는 온도 센서부(500)와; 상기 호흡수 추출부를 통해 출력된 데이터와 온도 센서부를 통해 출력된 데이터를 그래프로 나타내어 호흡수 추출부를 통해 출력된 데이터가 실제 호흡수와 일치하는지를 보여주는 디스플레이부(600)를 더 포함하는 것이 특징이다.

또한, 동맥혈의 산화헤모글로빈(HbO₂)이 적외선(IR) 대역의 광을 흡수하는 특성을 이용한 광전식맥파계(Photo-plethysmography)를 이용하여 사용자의 용적맥파를 검출하기 위한 맥파 측정단계와; 상기 맥파 측정단계에서 측정된 데이터 신호중에서 0.1Hz 이상의 주파수 대역만을 통과시키는 고역필터단계와; 상기 고역필터단계를 통과한 신호 데이터를 복소수(complex number) 연산을 통해 고속 푸리에 변환을 수행하는 고속 푸리에 변환 단계와; 상기 고속 푸리에 변환 프로세서를 통해 수행된 데이터에서 피크치를 검출하여 호흡수를 판단하기 위한 호흡수 추출 단계로 이루어지는 것이 특징이다.

또한, 인체의 코 밑에 설치하여 들숨과 날숨시 발생하는 온도편차를 이용하여 실제 호흡신호를 판별하는 온도 센싱 단계와; 상기 호흡수 추출부를 통해 출력된 데이터와 온도 센서부를 통해 출력된 데이터를 그래프로 나타내어 호흡수 추출부를 통해 출력된 데이터가 실제 호흡수와 일치하는지를 보여주는 디스플레이 단계를 더 포함하는 것이 특징이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 광전식 용적맥파계를 이용하여 맥파를 검출하고, 검출된 맥파에서 일정한 대역 이내에서 필터링을 시행하며, 필터링된 신호를 고속 퓨리에 변환을 통해 호흡수를 판별토록하여 별도의 호흡수 측정장치를 구비하지 않아도 용이하게 사용자의 호흡수를 파악할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 전체 구성 블록도.
도 2는 본 발명의 맥파 측정부 상세 구성 블록도.
도 3은 본 발명에 적용되는 맥파 측정부를 손에 장착한 상태도.
도 4는 본 발명에 적용되는 맥파 측정부의 동작도.
도 5는 본 발명에 적용되는 맥파 측정부를 이용하여 맥파를 측정하는 동작도.
도 6은 본 발명의 맥파 측정부를 이용한 파형과 온도센서를 이용한 파형 비교도.
도 7은 맥파 측정부를 통해 얻어진 데이터를 고속 푸리에 변환시킨 도면.
도 8은 본 발명의 맥파 측정부를 통해 구한 호흡관련 데이터와 온도 센서를 통해 얻어진 데이터를 각각 고속 푸리에 변환시켜 비교한 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 전체 구성 블록도.

도 2는 본 발명의 맥파 측정부 상세 구성 블록도.

도 3은 본 발명에 적용되는 맥파 측정부를 손에 장착한 상태도.

도 4는 본 발명에 적용되는 맥파 측정부의 동작도.

도 5는 본 발명에 적용되는 맥파 측정부를 이용하여 맥파를 측정하는 동작도.

도 6은 본 발명의 맥파 측정부를 이용한 파형과 온도센서를 이용한 파형 비교도.

도 7은 맥파 측정부를 통해 얻어진 데이터를 고속 푸리에 변환시킨 도면.

도 8은 본 발명의 맥파 측정부를 통해 구한 호흡관련 데이터와 온도 센서를 통해 얻어진 데이터를 각각 고속 푸리에 변환시켜 비교한 도면으로서,

본 발명의 구성요소는 크게 맥파 측정부(100)와, 고역통과필터(200)와, 고속 푸리에 변환 프로세서(300)와, 호흡수 추출부(400)와, 온도 센서부(500)와, 디스플레이부(600)로 이루어진다.

상기 맥파 측정부(100)는 손가락 끝에 설치되며, 동맥혈의 산화헤모글로빈(HbO₂)이 적외선(IR) 대역의 광을 흡수하는 특성을 이용한 광전식맥파계(Photo-plethysmography)를 이용하여 사용자의 용적맥파를 검출하기 위한 것이다.

상기 고역통과필터(200)는 맥파 측정부에서 측정된 데이터 신호중에서 0.1Hz 이상의 주파수 대역만을 통과시키는 역할을 한다. 즉, 상기 고역통과필터는 특정한 신호를 패스하는 역할을 하는데 이는 0.1Hz 이하의 신호에서는 호흡 신호를 포함한 다양한 신호가 포함되어 있어서 호흡신호만을 따로 추출하기 어렵기 때문이다.

상기 고속 푸리에 변환 프로세서(300)는 고역통과필터를 통과한 신호 데이터를 복소수(complex number) 연산을 통해 고속 푸리에 변환을 수행한다. 즉, 상기 고속 푸레이 변환 프로세서는 복소수 연산을 통해 고속 푸리에 변환을 실시함으로서 주파수 분석을 통한 호흡수 판별이 가능한 자료를 제공할 수 있게 된다.

상기 호흡수 추출부(400)는 고속 푸리에 변환 프로세서를 통해 수행된 데이터에서 피크치를 검출하여 호흡수를 판단한다. 즉, 상기 호흡수 추출부는 고속 푸리에 변환 프로세서를 통과한 데이터 중에서 피크치를 검출하여 호흡수를 판별하며, 상기 피크치는 실제 호흡수와 유사한 값을 갖는다.

상기 온도 센서부(500)는 인체의 코 밑에 설치하여 들숨과 날숨시 발생하는 온도편차를 이용하여 실제 호흡신호를 판별한다.

상기 디스플레이부(600)는 호흡수 추출부를 통해 출력된 데이터와 온도 센서부를 통해 출력된 데이터를 그래프로 나타내어 호흡수 추출부를 통해 출력된 데이터가 실제 호흡수와 일치하는지를 보여준다.

본 발명에 적용되는 맥파 측정부(100)를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 맥파 측정부(100)는 신호검출부(110)와, 아날로그 신호처리부(120)와, 데이터 변환부(130)와, 맥파 신호 처리부(140)와, 맥상 분석장치(150)와, 정보 입력부(160)와, 중앙처리부(170)로 이루어진다.

상기 신호검출부(110)는 인체의 손가락 말단의 세동맥에서 동맥혈류의 용적맥파를 측정하기 위한 수단으로 본 발명에서는 동맥혈의 산화헤모글로빈(HbO₂)이 적외선(IR) 대역의 광을 흡수하는 특성을 이용한 광전식맥파계 (Photo-plethysmography)를 이용한다. 이를 위해, 500㎚ 에서 1000㎚ 대역내의 단일파장을 갖는 단색광을 방출하는 광드라이버(111) 및 발광부(112)에서 방출되어 피사체를 투과한 광을 수신하여 이를 광전변환하는 수광센서(113)로 이루어진다.

이러한 발광부(112) 및 수광센서(113)는 사용자의 편리성과 측정의 객관성을 고려하여 집게형이나 테이프형의 형상으로 이루어지며 광드라이버(111)는 발광강도 및 온(ON)/오프(OFF) 시간을 조정할 수 있다.

아날로그신호처리부(120)는 수광센서(113)가 세동맥 혈관내의 혈류흐름에 의한 산화헤모글로빈(HbO₂)의 용적변화를 지수(Exponential)적 스케일로 광전변환시키므로 대수(Logarithm)적인 증폭특성을 이용하여 이를 선형화시키는 제 1증폭기(121) 및 제 1증폭기(121)에 의해 선형화 스케일로 광전변환된 용적맥파를 맥진신호 검출에 적합한 주파수 특성만을 여과시켜 통과시키는 저역-고역필터(122)로 이루어진다.

데이터변환부(130)는 필터링된 아날로그신호를 제 2증폭기(131)를 이용하여 증폭한 후 증폭된 데이터를 A/D변환기(132)에서 샘플링하여 아날로그 용적맥파를 디지털신호로 변환한다. 이때 용적맥파의 주요 형상 및 특징점을 정확히 검출하기 위하여 통상 200회/초 이상으로 신호를 샘플링하고 그 이상의 샘플링속도는 후술되는 중앙처리부에서 제어한다.

맥파 신호처리부(140)는 맥상 파형을 분석하기 위한 제반 특징점들을 추출하기 위한 장치로 디지털신호로 변환된 용적맥파의 기선 흔들림이나 샘플링 잡음을 제거하기 위한 주파수 필터를 이용한다.

환자의 사지말단(손가락)에 집게형으로 이루어진 신호검출부(110)를 끼우고 정보입력부(160)를 사용하여 광의 강도 및 발광시간을 설정한 후 맥상분석장치(150)를 동작시킨다. 중앙처리부(170)는 설정된 데이터에 따라 광드라이버(111)를 동작시켜 적외선 광이 방출되도록 하고 발광부(112)를 구동시킨다.

상기 광드라이버(111)와 대향되는 방향에 위치한 수광센서(113)는 중앙처리부(170)의 구동신호에 따라 구동되어 환자의 손가락을 투과한 광신호를 감지하여 환자의 용적맥파신호를 검출한 후 이를 광전변환하여 전기적신호로 출력한다. 수광센서(113)에 의해 지수(Exponential)적 스케일로 광전변환된 용적맥파신호는 제 1증폭기(121)에서 대수(Logarithm)적인 증폭특성에 의해 선형화되고, 저역-고역필터에 의해 맥진신호 검출에 적합한 주파수 특성만이 필터링되어 출력된다.

이하에서 본 발명의 전체 동작을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명은 먼저 맥파 측정부를 이용하여 사용자의 용적맥파를 측정한다.

상기와 같이 용적 맥파가 측정되면 이후, 고역통과필터를 통과시켜 맥파 측정부에서 측정된 데이터 신호중에서 0.1Hz 이상의 주파수 대역만을 통과시킨다.

이후, 상기 고속 푸리에 변환 프로세서를 이용하여 고역통과필터를 통과한 신호 데이터를 복소수(complex number) 연산을 통해 고속 푸리에 변환을 수행한다.

이후, 호흡수 추출부(400)에서 고속 푸리에 변환 프로세서를 통해 수행된 데이터에서 피크치를 검출하여 호흡수를 판단하되, 0.1Hz 이상 그리고 0.5Hz 이하에서 최고 피크치를 검출하여 호흡수로 판별한다.

그리고, 본 발명의 맥파로 얻어진 맥파형의 주파수 분석을 통한 호흡성분 추출장치가 제대로 작동되고 있는지를 판별할 필요가 있는바, 이를 위해 온도센싱수단을 인체의 코 밑에 장착하여 실제 호흡수를 체크한다.

즉, 온도 센서부(500)를 인체의 코 밑에 설치하여 들숨과 날숨시 발생하는 온도편차를 이용하여 실제 호흡신호를 판별하는 것이다.

그리고, 디스플레이부(600)를 이용하여 호흡수 추출부를 통해 출력된 데이터와 온도 센서부를 통해 출력된 데이터를 그래프로 나타내어 호흡수 추출부를 통해 출력된 데이터가 실제 호흡수와 일치하는지를 보여주도록 함으로서 맥파를 이용한 호흡수 측정과 온도 센서부를 이용한 실제 호흡수를 비교하여 작동이 제대로 된 것인지를 판단할 수 있도록 한다.

그리고, 상기 비교내용을 분석한 결과 맥파를 이용한 호흡수와 실제 호흡수가 일치하면, 이후 맥진기만을 이용하여 호흡수를 연속하여 체크한다.

한편, 본 발명을 통해 얻어지는 맥파와 온도센서를 통해 체크한 그래프를 도 6을 통해 상호 비교하였는바, 호흡의 주기성을 파악할 수 있다.

그리고, 맥파 측정부를 통해 구한 데이터는 도 7에 도시한 바와 같으며, 상기에서 1.3Hz 정도의 영역에서 맥파 신호가 뛰고 있는 것을 확인할 수 있다.

이러한 테이터에서는 저역대에 해당하는 호흡신호를 찾기 힘들며, 이는 움직임이나 기타 생체신호가 영향을 줄 수 있기 때문이다. 따라서, 미리 고역통과필터를 이용하여 0.1Hz 이상의 대역을 통과시킨다.

이러한 데이터 처리를 이용하여 호흡신호에서 가장 많이 가지고 있는 주파수 대역을 맥파 신호에서 찾기 위해서 세운 알고리즘은 0.1Hz 이상 0.5Hz 이하에서의 최고 피크 수치를 보여주는 값을 호흡 신호로 추정한다. 도 8은 이러한 분석을 통해 구한 맥파 데이터와 호흡신호 데이터를 상호 비교하였으며, 서로 비슷한 피크 파형이 나타남을 알 수 있고, 이로 인하여 맥파를 이용한 호흡수의 측정이 용이하게 이루어지고 있음을 알 수 있다.

100: 맥파 측정부
200: 고역통과필터
300: 고속 푸리에 변환 프로세서
400: 호흡수 추출부
500: 온도 센서부
600: 디스플레이부

Claims

손가락 끝에 설치되며, 동맥혈의 산화헤모글로빈(HbO₂)이 적외선(IR) 대역의 광을 흡수하는 특성을 이용한 광전식맥파계(Photo-plethysmography)를 이용하여 사용자의 용적맥파를 검출하기 위한 맥파 측정부(100)와;
상기 맥파 측정부에서 측정된 데이터 신호중에서 0.1Hz 이상의 주파수 대역만을 통과시키는 고역통과필터(200)와;
상기 고역통과필터를 통과한 신호 데이터를 복소수(complex number) 연산을 통해 고속 푸리에 변환을 수행하는 고속 푸리에 변환 프로세서(300)와;
상기 고속 푸리에 변환 프로세서를 통해 수행된 데이터에서 피크치를 검출하여 호흡수를 판단하기 위한 호흡수 추출부(400)를 포함하여 구성하되,
인체의 코 밑에 설치하여 들숨과 날숨시 발생하는 온도편차를 이용하여 실제 호흡신호를 판별하는 온도 센서부(500)와;
상기 호흡수 추출부를 통해 출력된 데이터와 온도 센서부를 통해 출력된 데이터를 그래프로 나타내어 호흡수 추출부를 통해 출력된 데이터가 실제 호흡수와 일치하는지를 보여주는 디스플레이부(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥파로 얻어진 맥파형의 주파수 분석을 통한 호흡성분 추출장치.
청구항 1에 있어서,
상기 맥파 측정부(100)는 신호검출부(110)와, 아날로그 신호처리부(120)와, 데이터 변환부(130)와, 맥파 신호 처리부(140)와, 맥상 분석장치(150)와, 정보 입력부(160)와, 중앙처리부(170)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 맥파로 얻어진 맥파형의 주파수 분석을 통한 호흡성분 추출장치.
청구항 2에 있어서,
상기 신호검출부(110)는 500㎚ 에서 1000㎚ 대역내의 단일파장을 갖는 단색광을 방출하는 광드라이버(111) 및 발광부(112)에서 방출되어 피사체를 투과한 광을 수신하여 이를 광전변환하는 수광센서(113)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 맥파로 얻어진 맥파형의 주파수 분석을 통한 호흡성분 추출장치.
동맥혈의 산화헤모글로빈(HbO₂)이 적외선(IR) 대역의 광을 흡수하는 특성을 이용한 광전식맥파계(Photo-plethysmography)를 이용하여 사용자의 용적맥파를 검출하기 위한 맥파 측정단계와;
상기 맥파 측정단계에서 측정된 데이터 신호중에서 0.1Hz 이상의 주파수 대역만을 통과시키는 고역필터단계와;
상기 고역필터단계를 통과한 신호 데이터를 복소수(complex number) 연산을 통해 고속 푸리에 변환을 수행하는 고속 푸리에 변환 단계와;
상기 고속 푸리에 변환 프로세서를 통해 수행된 데이터에서 피크치를 검출하여 호흡수를 판단하기 위한 호흡수 추출 단계와;
인체의 코 밑에 설치하여 들숨과 날숨시 발생하는 온도편차를 이용하여 실제 호흡신호를 판별하는 온도 센싱 단계와;
상기 호흡수 추출부를 통해 출력된 데이터와 온도 센서부를 통해 출력된 데이터를 그래프로 나타내어 호흡수 추출부를 통해 출력된 데이터가 실제 호흡수와 일치하는지를 보여주는 디스플레이 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥파로 얻어진 맥파형의 주파수 분석을 통한 호흡성분 추출방법.