KR101491320B1 - ＩＰｖ６ 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혈압 측정기를 사용하지 않고 유비쿼터스 환경에서 비침습적인 방법을 적용하여 지속적으로 혈압을 모니터링 하고 전송할 수 있도록 한 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 인체의 심전도(ECG)와 광전용적맥파(PPG), 산소포화도(SpO2) 신호들을 측정하여 디지털 변환하여 무선 전송하는 센서 모듈;상기 센서 모듈로부터 무선 전송된 생체 신호 데이터를 수신한 후 IPv4 또는 IPv6 기반의 TCP/IP 통신을 이용해 인터넷으로 전송하는 게이트 모듈;상기 게이트 모듈을 통하여 수신된 생체 신호 데이터를 분석하여 실시간으로 혈압을 추정하여 화면 출력 및 데이터 저장을 수행하는 모니터링 시스템;IPv4와 IPv6 환경을 동시에 지원하고 주소 등록 및 SPI(Serial to Peripheral Interface) 초기화, 하드웨어 리셋 동작을 수행하고, 하드웨어 리셋 후의 IPv6와 IPv4에 대한 자동 구성(Auto-configuration) 과정, 수신 또는 송신되는 패킷의 상태에 따른 동작 모드를 결정하는 루프 백 동작을 수행하는 듀얼 스택 드라이버;를 포함하는 것이다.

Description

ＩＰｖ６ 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템 및 방법{System and Method for realtime monitoring blood pressure estimation using Multiple Bio Signal based on ＩＰｖ６}
본 발명은 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정에 관한 것으로, 구체적으로 혈압 측정기를 사용하지 않고 유비쿼터스 환경에서 비침습적인 방법을 적용하여 지속적으로 혈압을 모니터링 하고 전송할 수 있도록 한 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 과학 기술의 비약적인 발전으로 인해 인류 전체의 삶의 질이 향상되고 있으며, 의료 환경에서도 많은 변화가 발생하였다. 과거 병원에서는 X-ray, CT, fMRI 등의 의료영상을 촬영한 후 몇 시간 또는 며칠을 기다려야 영상 판독이 가능하였다.
그러나 10년 전부터 의료영상을 촬영한 후 영상의학과 전문의의 모니터 화면으로 영상이 전송되어 즉시 판독하는 영상저장 및 전송시스템(PACS;Picture Archive Communication System)이 도입되었다.
또한, 병원에 가지 않고서도 자신의 혈당과 혈압을 언제 어디서나 확인할 수 있는 유비쿼터스(ubiquitous) 헬스케어 관련 의료기기들이 많이 보급되어, 혈당 환자나 고혈압 환자들은 자신의 집이나 사무실에서 이를 사용하고 있다.
고혈압은 심혈관 질환의 주요 원인이 되고 있으며, 또한 뇌졸중의 주요한 발병 원인이 된다. 고혈압으로 인해 전 세계적으로 매년 3천억 달러의 의료비용이 소요되고 있다. 우리나라뿐만 아니라 전 세계 성인들의 25%가 고혈압 환자이며, 미국인은 성인 3명 중 1명이 고혈압 환자이라고 보고되었다.
우리나라 30세 이상 전체 성인 중 30%가 고혈압 위험군에 속하며, 나이가 증가할수록 고혈압 유병률이 증가하여 60세 이상 성인의 경우에는 50% 정도의 유병률을 나타내고 있다.
이와 같은 고혈압으로 인한 사망률을 감소시키기 위한 다양한 유형의 연구들이 시도되고 있다.
그들 중의 하나는 만성 심장질환 환자들의 폐동맥(pulmonary artery)에 혈압 측정 센서를 삽입하여 실시간으로 혈압을 측정한 후 이를 무선통신을 이용하여 주치의에게 전송하면 주치의는 원격지에서 환자의 폐동맥 혈압 변화 양상을 모니터링 하여 처방을 환자에게 전달하는 유비쿼터스 헬스케어(u_Health;ubiquitous Healthcare)를 적용함에 의해 환자들이 병원을 내원하는 횟수를 획기적으로 감소시킬 수 있는 방법이 제시되었다.
임상에서는 침습적 혈압 측정 방법 중 카테터(catheter)를 동맥혈관에 삽입하여 혈압을 측정하는 방법을 주로 사용하고 있다. 하지만, 이러한 방법은 지속적이고 정확하게 혈압을 측정할 수 있으나, 시술 상의 어려움과 동맥 손상, 감염 등의 위험성 때문에 꼭 필요한 경우에만 시술하고 있다.
따라서, 동맥혈관에 혈압 측정용 센서를 삽입하지 않고 비침습적인 방법으로 혈압을 실시간으로 측정할 수 있는 시스템에 관한 연구가 지속적으로 수행되었다.
그리고 유비쿼터스 환경에서 혈압을 모니터링 한 후 측정된 혈압을 사용자에게 바이오 피드백(biofeedback)하여 혈압을 조절하는 연구도 수행되었다.
일례로, 환자가 근심 및 스트레스에 의해 고혈압 위험 징후가 나타날 때 이를 인식한 후 환자에게 통보하여 환자 자신이 바이오 피드백 즉, 안정상태로 전환하게 하여 혈압 강하를 스스로 조절할 수 있는 연구도 수행되었다.
특히, 짧은 시간 안에 응급 치료를 받기 위해서는 보다 빠른 시간 안에 고혈압의 위험을 알리기 위해서는 혈압을 지속적으로 측정하여, 실시간으로 알려주는 시스템이 필요하다.
커프 (cuff)를 팔에 부착하여 혈압을 측정하는 방식은 지속적인 혈압을 측정하기 어렵다. 업무를 진행하거나 휴식을 취할 때, 누군가가 혈압을 측정해 주거나 사용자 스스로 혈압 측정기를 작동시키지 않는다면, 자신의 혈압을 측정하기는 불가능하다.
그래서 상시적으로 혈압을 측정해 주는 장치가 필요하다. 또, 혈압이 위험 수치에 도달하였을 때 신속하게 모니터링(monitoring)하여 환자에게 피드백 (feedback)하여 줌으로써 환자 스스로가 고혈압을 예방하고 관리할 수 있는 시스템
의 도입이 필요한 실정이다.
이와 같이 유비쿼터스 환경에서 비침습적인 방법으로 지속적으로 혈압을 모니터링 하며, 약물에 의존하지 않고 혈압을 관리할 수 있는 새로운 모니터링 시스템의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 혈압 모니터링 시스템의 문제를 해결하기 위한 것으로, 혈압 측정기를 사용하지 않고 유비쿼터스 환경에서 비침습적인 방법을 적용하여 지속적으로 혈압을 모니터링 하고 전송할 수 있도록 한 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 ECG, PPG, SpO2 생체신호를 측정하고 ECG와 PPG 신호 및 ECG와 SpO2 신호를 이용하여 맥파전달시간(Pulse Transit Time)을 산출한 후 혈압을 추정하고 지속적으로 혈압을 모니터링 할 수 있도록 한 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 전력 공급이 안정적으로 유지되고, 무선통신을 이용하여 측정된 생체신호들을 송신 또는 수신할 수 있도록 구성하고, 언제, 어디서나 생체신호를 측정할 수 있도록 인체에 부착되는 센서들의 측정된 데이터가 무선통신에 의해 인터넷 환경으로 전송되도록 하여 유비쿼터스 헬스 및 모바일 헬스케어 환경에서 휴대가 가능하면서 사용하기 편리한 혈압 관리 시스템을 구현하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 기존의 IPv4를 기반으로 하는 TCP/IP 통신을 지원할 뿐만 아니라 IPv6 환경에서도 제약 없이 동작할 수 있는 WBAN 기반의 플랫폼을 제공하고, 이를 통해, 고혈압 환자들은 지속적으로 혈압을 모니터링 하여 위험이 닥치기 전에 관리할 수 있으며, 정상인들의 경우 일상적인 고혈압 예방도 가능하도록 한 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템은 인체의 심전도(ECG)와 광전용적맥파(PPG), 산소포화도(SpO2) 신호들을 측정하여 디지털 변환하여 무선 전송하는 센서 모듈;상기 센서 모듈로부터 무선 전송된 생체 신호 데이터를 수신한 후 IPv4 또는 IPv6 기반의 TCP/IP 통신을 이용해 인터넷으로 전송하는 게이트 모듈;상기 게이트 모듈을 통하여 수신된 생체 신호 데이터를 분석하여 실시간으로 혈압을 추정하여 화면 출력 및 데이터 저장을 수행하는 모니터링 시스템;IPv4와 IPv6 환경을 동시에 지원하고 주소 등록 및 SPI(Serial to Peripheral Interface) 초기화, 하드웨어 리셋 동작을 수행하고, 하드웨어 리셋 후의 IPv6와 IPv4에 대한 자동 구성(Auto-configuration) 과정, 수신 또는 송신되는 패킷의 상태에 따른 동작 모드를 결정하는 루프 백 동작을 수행하는 듀얼 스택 드라이버;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 센서 모듈은, 신체에서 측정되는 생체신호를 처리하는 센서부와,상기 센서부에 의해 측정된 아날로그 신호를 양자화하여 디지털 신호로 변환하는 디지털 측정 시스템과,디지털 측정 시스템에 의해 측정된 신호를 무선 전송하는 블루투스 통신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 센서부는 ECG 신호 획득 회로를 포함하고, ECG 신호 획득 회로는, ECG 신호에 혼입되어 입력되는 전원 잡음인 60Hz 잡음을 제거하기 위한 노치 필터(notch filter) 회로와, 차동증폭기 입력전원인 ±15V 직류전압에 혼입된 리플(ripple) 잡음을 제거하기 위한 동상제거(CMRR; Common Mode rejection Ratio) 회로와, ECG 전극들 간의 전위차를 검출하기 위한 차동증폭기와, 차동증폭 회로와 CMRR 회로를 거친 ECG 신호를 필터링하는 고역통과필터 및 저역통과필터와,고역통과필터와 저역통과필터를 거친 ECG 신호를 증폭하여 ADC로 전달하는 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 센서부는 PPG와 SpO2를 동시에 측정할 수 있는 PPG 센서를 포함하고, PPG 센서의 발광부는 940nm의 파장을 가진 적외선 LED와 660nm의 파장을 가진 적색 LED가 포함되어 있고, 수광부에는 포토 다이오드가 내장되는 것을 특징으로 한다.
그리고 PPG 센서는, 검출된 PPG 신호를 증폭하는 제 1 연산증폭기와, 증폭된 PPG 신호를 필터링하는 고역통과필터 및 저역통과필터와,고역통과필터와 저역통과필터를 거친 PPG 신호의 극성이 반전 (inverting)되도록 증폭하는 제 2 연산 증폭기와,직류성분과 교류성분이 공존하는 PPG 신호에서 직류성분은 제거하고 교류성분만 추출하기 위한 AC 커플링 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 센서부는 SpO2 신호를 측정하기 위해서, 660nm 파장을 가진 적색 광과 940nm 파장의 적외선 광을 한 주기씩 순차적으로 발광시켜 인체의 말초혈관 부위에 조사한 후 인체를 투과한 광량이 포토 다이오드에 의해 검출되도록 구성되는 타이밍 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 모니터링 시스템은, 다중 생체신호를 모니터링 하기 위한 PC 기반의 모니터링 시스템과,스마트폰 환경에서 동작하는 스마트폰 기반 모니터링 시스템과,대용량 데이터 처리가 가능한 웹 기반의 모니터링 시스템으로 구분되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 PC 기반의 모니터링 시스템은, 신호 모니터링을 위한 신호 모니터링부, 신호 처리를 위한 신호 처리부, 신호 분석 및 알람을 위한 검출부로 구성되고, 1개의 채널로부터 전달되는 데이터 크기는 16 bit이고, ECG, PPG, SpO2 신호의 화면 출력은 2초 동안의 데이터를 한 번에 나타내도록 구성하고, 화면 출력과 동시에 텍스트 파일에 실시간으로 저장되도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 신호 처리를 위한 신호 처리부는, FFT(Fast Fourier Transform) 과정을 수행하여 시간영역에서의 시계열 데이터를 주파수 영역(frequency domain)으로 변환하여 진단에 사용되는 파라미터 및 정보를 추출하고, 유한 임펄스 응답(FIR; Finite Impulse Response)을 적용하여 최적화는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 웹 기반의 모니터링 시스템은 서버 플랫폼, 파일 프로세싱부,실시간 분석부로 구성되고, 이벤트 지향 비동기식 API를 지원해 주는 이벤트 기반의 분산 웹 서버(Distributed Web Server)를 사용하여 구축되어 ECG, PPG, SpO2 신호의 화면 출력을 1초에 한 번씩 업데이트 하도록 구성하고, 화면 출력과 동시에 생체 신호 정보들을 데이터베이스 서버에 저장되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법은 인체의 심전도(ECG)와 광전용적맥파(PPG), 산소포화도(SpO2) 신호들을 측정하여 디지털 변환하여 무선 전송하는 단계;수신된 생체 신호 데이터를 IPv4 또는 IPv6 기반의 TCP/IP 통신을 이용해 인터넷으로 전송하는 단계;게이트 모듈을 통하여 수신된 생체 신호 데이터를 분석하여 실시간으로 혈압을 추정하기 위하여, IPv4/IPv6 듀얼 스택 드라이버가 주소 등록 및 SPI(Serial to Peripheral Interface) 초기화, 하드웨어 리셋 동작을 수행하고, 하드웨어 리셋 후의 IPv6와 IPv4에 대한 자동 구성(Auto-configuration) 과정, 수신 또는 송신되는 패킷의 상태에 따른 동작 모드를 결정하는 루프 백 동작을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 초기화 과정과 H/W 리셋 과정은 소켓 통신이 끝날 때마 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 하드웨어 리셋 후의 IPv6와 IPv4에 대한 자동 구성(Auto-configuration) 과정은, IPv4 환경에 속하고 있는지 IPv6 환경에 속하고 있는지를 탐색하는 단계와,만약 IPv6 주소가 할당되지 않은 상태라면, IPv4 환경에서 동작하도록 하는 단계와,IPv6 환경에 속해 있다면 수동으로 IPv6 주소가 할당되어 있는지 자동으로 IPv6 주소를 할당받을 것인지를 판단하는 단계와,만약, 수동 IPv6 주소일 경우에는 이를 즉시 반영하여 Main 함수로 진입하고, 아니면 Link-local address를 할당하는 단계와,DAD(Duplicate Address Detection)를 수행하기 위한 NS(Neighbor Solicitation) 패킷을 송신하는 단계와,이후 NA(Neighbor Advertisement) 패킷을 수신하면 다시 새로운 주소를 생성해서 같은 과정을 반복하고, NA 패킷 수신이 없다면, RS(Router Solicitation) 패킷을 송신하고, RA(Router Advertisement) 패킷의 수신을 기다리는 단계와,명령어 실행 확인 함수를 이용하여 자동 구성(Configuration)이 완료되는 것을 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 RA 패킷을 받는 것은 Global IPv6 Address의 외부 연결하기 위한 상위 64 bit의 Prefix 주소를 받는 과정으로, 외부 통신이 가능한 Global IPv6 Address를 라우터로부터 상위 64 bit 주소를 다시 할당받음으로써 Full IPv6 address를 할당받게 되는 것을 특징으로 한다.
그리고 RA 패킷을 수신하지 못하면 내부 통신이 가능한 Link Local address만으로 동작하여 Global IPv6 Address를 할당받은 후 설정된 시간내에 다시 DAD(Duplicate Address Detection) 과정을 수행하여, NS 패킷을 송신한 후 NA 패킷이 수신되지 않으면, 주변에 같은 주소를 사용하는 노드가 없다는 것으로 판단하여 Main 함수로 진입하는 것을 특징으로 한다.
그리고 Link-local address는 상위64 bit의 Link-local Prefix와 인터페이스 아이디를 포함하고 있는 하위 64 bit를 결합한 주소이며, 이 주소를 할당한 후 DAD(Duplicate Address Detection)를 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 수신 또는 송신되는 패킷의 상태에 따른 동작 모드를 결정하는 루프 백 동작을 수행하는 단계에서, IPv4/IPv6 모듈이 UDP 루프백 모드, TCP 서버 루프백 모드, TCP 클라이언트 루프백 모드로 구분되어 동작하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법은 ECG와 PPG 신호 및 SpO2 신호를 이용하여 맥파전달시간(Pulse Transit Time)을 산출한 후 혈압을 추정하기 위하여, ECG 및 PPG 신호로부터 정점 분석(Peak Analysis)에 사용되는 임계값을 설정하기 위해 대기한 후 ECG 데이터를 설정 단위로 구분하는 단계;구분된 데이터들을 이용하여 정점 분석(Peak Analysis) 알고리즘으로 첫 번째 피크값을 산출하는 단계;첫 번째 Peak 값을 추출한 후 동일한 방법을 적용하여 다음 Peak 값을 연속해서 추출하고, 추출된 시간 정보(t1 , t2)를 저장하는 단계;R-R 인터벌이 되는 두 Peak 지점의 시간 차 (t2 - t1)를 계산하여 샘플링 데이터 수를 파악하여 PPG 신호의 무빙 윈도우 사이즈(Moving window size)에 반영하는 단계;ECG 데이터의 R-R 인터벌 사이에 존재하는 PPG 데이터의 네거티브 피크(Negative Peak)와 포지티브 피크(Positive Peak) 지점을 정점 분석을 이용하여 시간 정보 (TN)와 (TP)로 각각 추출하는 단계;첫 번째 ECG의 피크 지점의 시간 정보(t1)과 PPG 신호의 S점과 P점의 중간 지점의 시간 정보 T1 =( TN + TP )/2을 이용하여 첫 번째 PTT 시간 정보인 PTT = (T1- t1)를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 PTT는 ECG 파형의 R 피크 이후 말초혈관에서 측정된 PPG의 피크까지의 시간 차이이고, 첫 번째 ECG 신호의 R 피크와 두 번째 ECG 신호의 R 피크 사이에 반드시 하나의 PPG 신호의 피크가 존재하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법은 ECG와 PPG 신호 및 SpO2 신호를 이용하여 실시간 수축기 혈압 추정을 위하여, 정점 분석을 위한 임계값을 설정하기 위하여 대기 한 후에 샘플링된 데이터의 크기를 감소시키는 단계;연산되는 데이터 수가 줄어든 적외선 광원에 의한 AC 성분(IRAC ), 적외선 광원에 의해 DC 성분(IRDC ), 적색 광원에 의한 AC 성분(REDAC ), 적색 광원에 의한 DC 성분(REDDC ) 데이터를 설정시간 동안 저장하고 그 평균값을 설정 시간 간격으로 산출하는 단계;산출된 IRAC, IRDC, REDAC, REDDC 데이터의 평균값을 이용하여 실시간으로 SpO2 값을 1초에 한 번씩 연산하는 단계;산출된 SpO2 값, 추출된 PTT 값, 실시간으로 측정되는 ECG 데이터를 해당 레지스터에 각각의 배열로 저장하는 단계;상기 단계들을 53초 동안 반복적으로 수행한 후 결과값을 저장한 후 53 번째 저장된 SpO2값(SpO2[k53]), 9 번째 저장된 PTT값 PTT[j9], 첫 번째 저장된 ECG 값 ECG[i1] 값을 추출하는 단계;SpO2[k53], PTT[j9], ECG[i1] 정보를 수축기 혈압 추정 모델에 적용하여 실시간 수축기 혈압(SYS BP)을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 산출된 실시간 수축기 혈압(SYS BP)을 다시 혈압 정보 SYS BP[x1]으로 저장하고, 사용자의 기준 혈압(Reference SYS BP)보다 20mmHg 이상일 경우 사용자에게 통보하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 산출된 IRAC, IRDC, REDAC, REDDC 데이터의 평균값을 이용하여 실시간으로 SpO2 값을 연산하는 단계는, 적색 광원과 적외선 광원에 의한 AC 성분과 DC 성분에 대한 변화양을,
Figure 112013088434386-pat00001
으로 연산하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법은 PTT 신호 및 SpO2 신호를 이용하여 실시간 이완기 혈압 추정을 위하여, 정점 분석을 위한 임계값을 설정하기 위하여 대기 한 후에 샘플링된 데이터의 크기를 감소시키는 단계;연산되는 데이터 수가 줄어든 적외선 광원에 의한 AC 성분(IRAC ), 적외선 광원에 의해 DC 성분(IRDC ), 적색 광원에 의한 AC 성분(REDAC ), 적색 광원에 의한 DC 성분(REDDC ) 데이터를 설정시간 동안 저장하고 그 평균값을 설정 시간 간격으로 산출하는 단계;산출된 IRAC, IRDC, REDAC, REDDC 데이터의 평균값을 이용하여 실시간으로 SpO2 값을 1초에 한 번씩 연산하는 단계;이전 단계에서 산출된 SpO2 값과 추출된 PTT 값을 해당 레지스터에 각각의 배열로 저장하는 단계;상기 단계들을 31초까지 반복적으로 수행하여 결과값을 저장한 후 31 번째 저장된 SpO2 값(SpO2[k31])과 첫 번째 저장된 PTT 값(PTT[j1])을 추출하는 단계;이후 10초 동안 저장된 SpO2[k31 -40]과 PTT[j1 -10] 데이터를 구간 평균 수식을 이용하여 Rj (t)와 Rk (t)를 산출하는 단계;Rj (t)와 Rk (t) 정보를 이완기 혈압 추정 모델을 적용하여 실시간 이완기 혈압(DIA BP)을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 산출된 실시간 이완기 혈압(DIA BP)을 다시 혈압 정보(DIA BP[y1])으로 저장하고, 사용자의 기준 혈압(Reference DIA BP)보다 20mmHg 이하일 경우 사용자에게 통보하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 혈압 측정기를 사용하지 않고 유비쿼터스 환경에서 비침습적인 방법을 적용하여 지속적으로 혈압을 모니터링 하고 전송할 수 있다.
둘째, 인체에서 발생하는 다양한 생체신호 중 심전도(ECG)와 광전용적맥파(PPG), 산소포화도(SpO2) 신호들을 동시에 측정하여 혈압을 추정할 수 있다.
셋째, 전력 공급이 안정적으로 유지되고, 무선통신을 이용하여 측정된 생체신호들을 송신 또는 수신할 수 있어 휴대 및 사용의 편리성을 높일 수 있다.
넷째, 인체에 부착되는 센서들의 측정된 데이터가 무선통신에 의해 인터넷 환경으로 전송되도록 하여 유비쿼터스 헬스 및 모바일 헬스케어 환경에서 휴대가 가능하면서 사용하기 편리한 혈압 관리 시스템을 구현할 수 있다.
다섯째, IPv4를 기반으로 하는 TCP/IP 통신을 지원할 뿐만 아니라 IPv6 환경에서도 제약 없이 동작할 수 있는 WBAN 기반의 플랫폼을 제공한다.
여섯째, 고혈압 환자들을 지속적으로 혈압을 모니터링 하여 위험이 닥치기 전에 관리할 수 있으며, 정상인들의 경우 일상적인 고혈압 예방도 가능하도록 한다.
도 1은 무선 인체 센서 네트워크(WBSN)를 이용한 헬스 케어 과정을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템의 구성도
도 3은 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템의 하드웨어 블록의 상세 구성도
도 4는 ECG 신호를 측정하기 위한 센서 구성도
도 5는 PPG 센서 모듈의 구성도
도 6은 SpO2 센서 모듈의 구성도
도 7은 다중 생체신호를 모니터링 하기 위한 소프트웨어 모듈의 구성도
도 8은 PC 기반의 모니터링 시스템 세부 구성도
도 9는 웹 기반의 모니터링 시스템의 구성도
도 10은 IPv4/IPv6 듀얼 스택 드라이버의 동작을 나타낸 플로우 차트
도 11은 듀얼 스택 드라이버 구동을 위한 초기화 과정을 나타낸 플로우 차트
도 12는 자동 구성 과정을 나타낸 플로우 차트
도 13은 루프백을 위한 UDP 모드의 동작 순서를 나타낸 플로우 차트
도 14는 루프백을 위한 TCP 서버 모드의 동작 순서를 나타낸 플로우 차트
도 15는 루프백을 위한 TCP 클라이언트 모드의 동작 순서를 나타낸 플로우 차트
도 16은 본 발명에 따른 실시간 PTT 산출을 위한 플로우 차트
도 17은 본 발명에 따른 실시간 수축기 혈압 추정을 위한 플로우 차트
도 18은 본 발명에 따른 실시간 이완기 혈압 추정을 위한 플로우 차트
이하, 본 발명에 따른 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 무선 인체 센서 네트워크(WBSN)를 이용한 헬스 케어 과정을 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템의 구성도이다.
인체에서 발생하는 생체신호를 측정한 후 무선통신 방식을 적용하여 전송하고, 전송된 생체신호를 모니터링 하여 질환 진단 및 추이 변화 양상 등에 이용하는 u_Health에 관한 연구가 지속적으로 수행되었다.
도 1에서와 같이, 인체의 여러 부위에 센서를 부착하여 생체신호를 측정하여 USN에 적용하는 기술을 WBSN(Wireless Body Sensor Network)라 한다.
본 발명은 신뢰도 높은 TCP/IP 기반의 IPv6 지원이 가능한 WBSN를 구현하면서, 인터넷과의 연결이 손 쉽고, 보안에도 취약점이 적은 WBSN 구축 기술을 포함한다.
본 발명은 유비쿼터스 환경에서 비침습적인 방법을 적용하여 지속적으로 혈압을 모니터링 하고 전송할 수 있도록 인체에서 발생하는 다양한 생체신호 중 심전도(ECG;Electrocardiogram)와 광전용적맥파(PPG; Photoplethysmography), 산소포화도(SpO2; Saturation of peripheral Oxygen) 신호들을 동시에 측정하여 혈압을 추정할 수 있도록 한 것이다.
심전도(ECG)는 심장의 특수흥분전도시스템(special excitatory & conductive system)에 의해 발생되는 활동전위(action potential)을 벡터 합으로 구성된 파형이다. 즉, 심장의 각 구성요소인 동방결절(SA node; sinoatrial node), 방실결절 (AV node;atrioventricular node), 히스속(His bundle), 히스속 가지(bundle branch), 퍼킨스 섬유(furkinje fibers) 등에서 발생되는 활동전위의 벡터 합 신호를 체외에 부착한 전극으로부터 측정한 신호이다.
일반적으로 ECG 신호는 4개의 전극을 사용한 표준 사지 유도법(standard limb lead method)을 이용하여 획득한다.
그리고 광전용적맥파(PPG)는 심실 수축기 동안 박출(ejection)된 혈액이 말초혈관까지 전달될 때 말초혈관에서 측정한 맥파 신호를 의미한다. PPG 신호를 측정하기 위해 생체조직의 광학적 특성을 이용한다.
즉, 손 끝과 발 끝의 말초혈관이 분포된 위치에 맥파신호를 측정할 수 있는 PPG 센서를 부착한 후 말초혈관의 용적 변화인 혈류량 변화 양상을 광량 변화로 변환시켜 나타낸 생체신호이다.
일반적으로, PPG 신호만 사용하지 않고 PPG와 ECG 신호의 상관관계를 분석하여, 맥파전달시간 (PTT; Pulse Transit Time) 또는 맥파전달속도 (PWV; Pulse Wave Velocity)를 추출하여 심혈관 질환 진단에 활용하고 있다. 이를 위해 PPG 신호를 2차 미분하여 특징점을 구한 후ECG 신호의 정점 (R파)과의 시간 간격을 측정한다.
이러한 방식으로 추출한 PTT 및 PWV 신호를 분석하여 혈관의 상태, 동맥경화, 말초 순환 장애 진단 등에 활용하고 있다.
혈중 산소 포화도 (SpO2)는 혈액을 구성하고 있는 여러 가지 성분 중 헤모글로빈 내에 존재하는 산소의 함유량을 나타내는 생체신호이다.
그리고 WBSN 기반에서 동작하는 대부분의 생체신호 측정 유틸리티는 로컬에서 동작하는 응용 프로그램을 기반으로 구현되어 있다. 생체신호 자체가 방대하기 때문에, 이를 웹 기반에서 실시간으로 여러 명의 사용자가 동시에 사용할 수 있는 형태로 구현하기에는 매우 힘든 실정이다.
따라서, 본 발명에서는 웹 기반 환경에서 동작하는 대용량 데이터 분석에 적용할 수 있도록 시스템을 구성한다.
본 발명에 따른 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템은 도 2에서와 같이, 다중 생체신호 측정 및 전송을 위한 시스템을 하드웨어 블록과 소프트웨어 블록으로 구분하여 구성한다.
하드웨어 블록은 크게 센서 모듈 (sensor module)(20)과 게이트웨이 모듈 (gateway module)(30)을 포함한다.
그리고 소프트웨어 블록은 PC 기반, 스마트폰 기반, 웹 기반의 모니터링 시스템(40) 및 IPv4/IPv6 듀얼 스택을 가지는 TCP/IP 드라이버(50), 소켓 프로그램을 포함한다.
도 3은 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템의 하드웨어 블록의 상세 구성도이다.
다중 생체신호 측정 시스템의 하드웨어 블록은 크게 센서 모듈(20)과 게이트웨이 모듈(30)을 포함한다.
여기서, 센서 모듈(20)은 신체에서 측정되는 생체신호를 처리하는 센서부(21)와, 센서부(21)에 의해 측정된 아날로그 신호를 양자화하여 디지털 신호로 변환하는 디지털 측정 시스템(22)과, 디지털 측정 시스템(22)에 의해 측정된 신호를 무선 전송하는 블루투스 통신부(23)를 포함한다.
센서 모듈(20)은 다중 생체신호를 측정하기 위하여 ECG, PPG, SpO2 신호를 측정하고 이들을 신호처리 한 후 블루투스(Bluetooth) 무선통신 방법으로 전송한다.
ECG, PPG, SpO2 신호는 각각 고유의 특성인 주파수 범위 및 진폭,주파수 폭에 대한 이득(GB;Gain Bandwidth) 등이 다르기 때문에 별도로 신호처리를 하여야 한다. ECG, PPG, SpO2 신호들의 주요 특성은 표 1에서와 같다.
Figure 112013088434386-pat00002
ECG의 경우 잡음을 감쇠시켜 주는 동상제거비(CMRR;Common Mode Rejection Ratio) 회로가 필요하며, SpO2는 적색 광원과 적외선 광원을 순차적으로 조사시켜 줄 수 있는 타이밍 회로가 필요하고, ECG의 경우 차동증폭 (differential amplifier) 회로가 구비되어야 한다.
센서 모듈에 의해 획득된 생체신호들을 블루투스를 이용하여 게이트웨이로 전송한다. 게이트웨이 모듈에서는 블루투스 통신을 통해 생체신호들을 수신한 후 IPv4 또는 IPv6 기반의 TCP/IP 통신을 이용해 인터넷으로 전송한다.
도 4는 ECG 신호를 측정하기 위한 센서 구성도이다.
ECG 신호는 인체의 여러 부위에 부착한 전극으로부터 발생되는 신호들간의 전위차를 검출하여 증폭하여야 한다. 이를 위하여 차동증폭기를 사용하여 ECG 신호를 획득할 수 있는 회로를 구성한다.
본 발명에 따른 ECG 신호 획득 회로는 다음과 같은 특징이 있다.
첫째, ECG 신호에 혼입되어 입력되는 전원 잡음인 60Hz 잡음을 제거하기 위한 노치 필터(notch filter) 회로와 차동증폭기 입력전원인 ±15V 직류전압에 혼입된 리플(ripple) 잡음을 제거하기 위한 동상제거(CMRR; Common Mode rejection Ratio) 회로를 구비한다.
CMRR 회로는 참조 신호(reference signal)에 해당하는 오른쪽다리에서 측정된 신호(r(t))를 토대로 ECG 전극에 혼입된 잡음을 제거하는 역할을 한다.
본 발명에 적용한 ECG 신호는 Lead Ⅱ 신호이므로 s(t)는 오른쪽 손목에 부착한 ECG 전극으로부터 획득된 신호이고, g(t)는 왼쪽 다리에 부착한 ECG 신호이고, r(t)는 접지 전극인 오른쪽 다리에 부착한 ECG 전극으로부터 획득된 신호이다.
둘째, ECG 전극들 간의 전위차를 보다 정확하게 검출하기 위하여 차동증폭기를 포함시켜 회로를 구성한다. ECG 신호를 보다 정확하게 획득하기 위해서는 높은 CMRR 비율과 높은 입력 임피던스를 지니도록 하여야 한다
본 발명의 실시 예에서는 10배로 증폭되도록 차동증폭 회로를 설계하는데, 저전력에서 구동하며, CMRR은 120 dB, 입력 임피던스(10 GΩ과 2 pF이 병렬)가 비교적 높아 ECG 신호를 측정 시 잡음을 최소화할 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다.
셋째, 차동증폭 회로와 CMRR 회로를 거친 ECG 신호를 표 1에서 언급한 ECG 신호의 특성에 적합하도록 회로를 구성하기 위하여 0.1Hz 이상의 신호를 통과시켜주는 고역통과필터와 50 Hz 이하의 신호를 통과시켜주는 저역통과필터를 거치도록 설계한다.
넷째, 고역통과필터와 저역통과필터를 거친 ECG 신호를 100 배의 증폭하여 ADC(analog to digital convertor)로 전달되도록 한다.
따라서, 이와 같은 일련의 과정에 의하여 ECG 센서 모듈에서 ECG 신호의 전체 증폭비는 차동증폭기에서 10 배 증폭한 후 연산증폭기에서 100배 증폭되기 때문에 총 1,000 배로 증폭되며, 최종 GB는 40 dB가 되도록 구성한다.
그리고 도 5는 PPG 센서 모듈의 구성도이다.
PPG 신호를 측정하기 위하여 사용한 센서는 PPG와 SpO2를 동시에 측정할 수 있는 센서이며, 발광부는 940nm의 파장을 가진 적외선 LED와 660nm의 파장을 가진 적색 LED가 포함되어 있고, 수광부에는 포토 다이오드가 내장되어 있다.
PPG 신호는 오른쪽 손가락에 부착한 TP320 센서에서 적색 광 신호만 연속적으로 발광시키도록 광 다이오드로 검출하면 된다.
TP320 센서에 의해 검출된 PPG 신호를 전압이득이 10 배가 되도록 연산증폭기 회로가 구성되고, 증폭된 신호는 0.1Hz 이상의 신호를 통과시켜주는 고역통과필터로 전달된 후 12Hz 이하의 신호를 통과시켜주는 저역통과필터를 거치도록 구성된다.
필터를 거친 신호는 다시 한번 연산증폭기를 통해 신호의 극성이 반전 (inverting)되어 PPG 신호가 검출된다. 두 번째 연산증폭기를 통해 전압이득이 50 배가 되도록 연산증폭기 회로를 설계하였기 때문에 PPG 센서 모듈의 전체 전압이득은 총 500배 증폭되며, 최종 GB는 25dB가 되도록 구성된다.
이와 같은 과정에 의해 획득된 PPG 신호 P(t)는 직류성분과 교류성분이 공존하기 때문에 필요한 PPG 신호를 획득하기 위해서는 직류성분은 제거하고 교류성분만 추출하여야 한다. 이를 위해 신호 P(t)에서 교류성분만 추출할 수 있는 AC 커플링 회로를 구성한다.
그리고 도 6은 SpO2 센서 모듈의 구성도이다.
SpO2 신호를 측정하기 위해서는 타이밍 회로(timing circuit)가 필요하다.
이 회로는 660nm 파장을 가진 적색 광과 940nm 파장의 적외선 광을 한 주기씩 순차적으로 발광시켜 인체의 말초혈관 부위에 조사한 후 인체를 투과한 광량이 포토 다이오드에 의해 검출되도록 구성한 회로이다.
타이밍 회로를 통과한 SpO2 신호는 첫 번째 연산증폭기에 의해 전압 이득이 10 배가 되도록 증폭하고, 증폭된 신호는 0.1 Hz 이상의 신호를 통과시켜 주는 고역통과필터와 20 Hz 이하의 신호를 통과시켜 주는 저역통과필터를 거치도록 구성한다.
그 후 연산증폭기를 통해 전압이득이 50 배가 되도록 증폭하였기 때문에 최종적으로 총 500 배로 증폭되며, 최종 GB는 25 dB가 되도록 구성한다.
일반적으로 적색 광과 적외선 광에 의해 나타나는 직류성분의 크기는 서로 비슷하다. 하지만 헤모글로빈 내의 산소 함유량에 따라 달라지는 교류성분은 차이를 나타낸다.
HbO2의 경우 적색 광에 의한 흡수율은 낮게 나타나나, 적외선 광에 의한 흡수율은 상대적으로 높게 나타나며 건강한 사람의 경우 대개 100%에 가까운 98~99% 사이로 관찰된다.
그리고 도 7은 다중 생체신호를 모니터링 하기 위한 소프트웨어 모듈의 구성도이다.
다중 생체신호를 모니터링 하기 위한 소프트웨어 모듈은 첫째, PC 기반의 모니터링 시스템(70)이고, 두 번째는 스마트폰 환경에서 동작하는 스마트폰 기반 모니터링 시스템(71), 세 번째는 대용량 데이터 처리가 가능한 웹 기반의 모니터링 시스템(72)이며, 마지막으로 IPv4와 IPv6 환경을 동시에 지원하게 해주는 듀얼 스택 드라이버(Dual stack driver)(73)로 구분하여 구성한다.
도 8은 PC 기반의 모니터링 시스템 세부 구성도이다.
PC 기반의 모니터링 시스템은 신호 모니터링을 위한 신호 모니터링부, 신호 처리를 위한 신호 처리부, 신호 분석 및 알람을 위한 검출부로 구성되고, 1개의 채널로부터 전달되는 데이터 크기는 16 bit이다.
ADC의 데이터 크기는 12 bit이고, 나머지 4 bit는 각 채널에 대한 정보를 포함하고 있다. 이 채널 정보를 통해 ECG, PPG, SpO2 신호를 구분할 수 있도록 구성한다.
ECG, PPG, SpO2 신호의 화면 출력은 2초 동안의 데이터를 한 번에 나타내도록 구성하고, 화면 출력과 동시에 텍스트 파일에 실시간으로 저장되도록 한다.
본 발명에서는 다중 생체신호 분석을 위하여 크게 두 가지 신호처리 과정으로 구분한다.
첫 번째 신호처리 과정은 FFT(Fast Fourier Transform) 과정이다.
일반적으로 대부분의 생체신호들은 시간영역에서 시계열(time series) 형태로 연속된 아날로그 신호로 이루어져 있다. 이러한 시계열 데이터만을 분석할 경우 진단에 활용할 수 있는 파라미터의 추출이 용이하지 않다. 따라서, 시간영역에서의 시계열 데이터를 주파수 영역(frequency domain)으로 변환하여 진단에 활용할 수 있는 보다 많은 파라미터 및 정보를 추출하고 있다.
PC 기반용 소프트웨어에서는 FFT 기법을 적용하여 다중 생체신호의 획득 시스템의 검증 및 모니터링을 실시간으로 처리할 수 있도록 최적화한다.
두 번째 신호처리 과정으로 유한 임펄스 응답(FIR; Finite Impulse Response)을 적용한다.
FIR은 소프트웨어로 구현할 수 있는 디지털 필터로서 하드웨어 상에서 구현되는 아날로그 필터의 단점을 효과적으로 보완할 수 있기 하드웨어 필터에 비해 높은 성능을 나타낼 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 PC 기반용 소프트웨어에서는 FIR 필터를 적용하여 다중 생체신호의 획득 시스템의 검증 및 모니터링을 실시간으로 처리할 수 있도록 최적화한다.
그리고 스마트폰 기반의 모니터링 시스템(71)은 PC 기반의 모니터링 시스템(70)과 유사한 특성을 지니나, 다중 생체신호를 저장하는 모듈을 생략하여 구성할 수 있다.
이는 시간에 따라 연속적으로 변화하는 생체신호의 데이터 용량은 대용량이기 때문에 스마트폰에 저장하기에는 무리가 따르기 때문이다.
또한, 실시간 FFT 기능을 제외하고 구성할 수 있는데, 이는 실시간 FFT 기능을 포함할 경우 스마트폰에서 시스템이 다운되는 현상이 자주 발생하기 때문이다.
따라서, 실시간 FFT 기능은 제외하고 FIR 기능만 수행하도록 구성하는 것이 바람직하다.
그리고 도 9는 웹 기반의 모니터링 시스템의 구성도이다.
웹 기반의 모니터링 시스템은 서버 플랫폼, 파일 프로세싱부,실시간 분석부를 포함한다.
서버 환경을 대용량 데이터 분석에 적합하도록 웹 서버 및 데이터베이스 서버를 구축하는 것이 바람직하다.
웹 서버로는 이벤트 지향 비동기식 API를 지원해 주는 이벤트 기반의 분산 웹 서버(Distributed Web Server)를 사용하여 구축한다.
웹 기반의 모니터링 시스템은 ECG, PPG, SpO2 신호의 화면 출력을 1초에 한 번씩 업데이트 하도록 구성하고, 화면 출력과 동시에 생체 신호 정보들을 데이터베이스 서버에 저장되도록 구성한다.
도 10은 IPv4/IPv6 듀얼 스택 드라이버의 동작을 나타낸 플로우 차트이다.
IPv4/IPv6 듀얼 스택 드라이버는 3 단계의, 초기화(S1001), 자동 구성(S1002), 루프백(S1003) 단계를 수행한다.
도 11은 듀얼 스택 드라이버 구동을 위한 초기화 과정을 나타낸 플로우 차트이다.
IPv4/IPv6 듀얼 스택 드라이버의 초기화 과정은 IPv4 환경에 속하고 있는지 IPv6 환경에 속하고 있는지를 체크하여(S1101), 주소 등록(S1102), SPI(Serial to Peripheral Interface) 초기화(S1103), H/W reset 과정(S1104) 등 중요한 동작들을 포함하고 있다.
이들 중 SPI 초기화 과정과 H/W 리셋 과정은 소켓 통신이 끝날 때마다wizCheckCmdCmplth() 함수를 반복적으로 호출하여 수행하도록 한다.
왜냐하면, SPI 통신에서 사용되는 버퍼와 소켓 통신을 위해 사용하였던 메모리들을 초기화하는 과정이 포함되어 있기 때문이다.
도 12는 자동 구성 과정을 나타낸 플로우 차트이다.
앞서 설명한 wizCheckCmdCmplth() 함수는 H/W reset 이후 IPv6와 IPv4에 대한 자동 구성(Auto-configuration) 과정을 포함하고 있으며, 이들에 관하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, IPv4 환경에 속하고 있는지 IPv6 환경에 속하고 있는지를 탐색한 후 만약 IPv6 주소가 할당되지 않은 상태라면, 기본적으로 IPv4 환경에서 동작하도록 한다.(S1201)
다음으로, IPv6 환경에 속해 있다면 수동으로 IPv6 주소가 할당되어 있는지 자동으로 IPv6 주소를 할당받을 것인지를 판단한다.(S1202)
만약, 수동 IPv6 주소일 경우에는 이를 즉시 반영하여 Main 함수로 진입한다.(S1203)
그러나 IPv6 주소가 수동으로 할당되지 않았다면, Link-local address를 할당한다.(S1204)
Link-local address는 상위64 bit의 Link-local Prefix와 인터페이스 아이디를 포함하고 있는 하위 64 bit를 결합한 주소이며, 이 주소를 할당한 후 Duplicate Address Detection(DAD)를 수행한다.
DAD를 수행하기 위한 첫 번째 과정은 NS(Neighbor Solicitation) 패킷을 송신하는 것이다.(S1205)
이후 NA(Neighbor Advertisement) 패킷을 수신하면(S1206) 주변에 같은 주소를 사용하는 주소가 존재한다는 의미이므로 다시 새로운 주소를 생성해서 같은 과정을 반복한다.
만약, 100ms 안에서 NA 패킷 수신이 없다면, RS(Router Solicitation) 패킷을 송신하고(S1207), RA(Router Advertisement) 패킷을 수신을 기다린다.(S1208)
RA 패킷을 받는 의미는 Global IPv6 Address의 외부 연결하기 위한 상위 64 bit의 Prefix 주소를 받는 과정이다.
이 과정에서 외부 통신이 가능한 Global IPv6 Address를 라우터로부터 상위 64 bit 주소를 다시 할당 받음으로써 Full IPv6 address를 할당받게 된다.
이때 RA 패킷을 수신하지 못하면 내부 통신이 가능한 Link Local address만으로 동작하도록 한다. Global IPv6 Address를 할당받은 후(S1209) 100 ms 내에 다시 DAD 과정을 수행한다.
이는 NS 패킷을 송신한 후(S1210) NA 패킷이 수신되지 않으면(S1211), 주변에 같은 주소를 사용하는 노드가 없다는 것으로 판단하여 Main 함수로 진입하도록 하기 위함이다.
이러한 일련의 과정이 모두 완료되면 IPv4 또는 IPv6 주소가 모두 할당되어 있다는 것을 핑 테스트(Ping test)를 통한 핑 응답(Ping reply)으로 확인할 수 있다.
마지막으로 명령어 실행 확인 함수를 이용하여 자동 구성(Configuration)이 끝남을 확인할 수 있다.
도 13은 루프백을 위한 UDP 모드의 동작 순서를 나타낸 플로우 차트이다.
게이트웨이에 사용된 IPv4/IPv6 모듈이 원활한 소켓 통신을 하기 위해서는 추가적인 설정들이 필요하다.
그 중 대표적인 설정이 IPv4/IPv6 모듈이 서버모드(Server mode)로 동작할 것인지 클라이언트 모드(Client mode)로 동작할 것인지를 자동으로 설정하는 과정이다.
IPv4/IPv6 모듈은 소켓 통신을 위해 스스로 서버가 될 것인지 클라이언트가 될 것인지를 선택하여야 한다.
선택된 모드에 따라 동작하는 방식이 달라지기 때문에 이를 선택하는 것은 매우 중요한 단계이다. 따라서, Main 함수 내에 3가지 경우의 Loopback 모드를 구성한다.
이 Loopback은 어떤 모드로 동작할지를 결정하기 위해 무한히 반복하며 수행하면서, 수신 또는 송신되는 패킷의 상태에 적합하게 동작 모드를 결정하게 된다.
Loopback 모드는 3가지 모드 즉, UDP loopback 모드, TCP server loopback 모드, TCP client loopback 모드로 구분하여 수행된다.
먼저, UDP 소켓을 Open한 후 수신 모드로 동작할 것인지 송신 모드로 동작할 것인지를 결정한다.(S1301)
이때, wizGetSocketStatus() 함수를 이용하면 UDP의 상태를 확인할 수 있다.
수신 모드와 송신 모드는 항상 내부적으로 소켓 상태가 UDP_OPENED인가를 확인하여야 한다.
다음으로, 수신 모드일 때는 수신 데이터의 크기를 반환하여(S1302) 0보다 큰지를 확인하여야 한다.(S1303)
이때, 데이터 크기가 0보다 크다면 해당 데이터를 읽어 들인다.(S1304)
마지막으로, 송신 모드일 경우에는 게이트웨이에 사용된 IPv4/IPv6 모듈에서 Destination의 IP address와 port를 read한 후(S1305) Destination의 IP address와 port를 듀얼 스택 드라이버의 레지스터에 저장하여야 한다.(S1306)
그리고 수신 모드와 마찬가지로 내부적으로 소켓상태가 UDP_OPENED 인가를 확인하고 버퍼 크기를 체크 한 후(S1307) 전송하고자 하는 데이터를 UDP_Send() 함수를 이용하여 Destination에 전송하도록 하였다.(S1308)
도 14는 루프백을 위한 TCP 서버 모드의 동작 순서를 나타낸 플로우 차트이다.
UDP 모드를 수행한 후 다음으로 살펴볼 동작 모드는 TCP 통신을 기반으로 할 경우, TCP Server 모드와 TCP Client 모드에서 동작하는 경우이다.
TCP Server 모드일 경우, UDP 모드와 달리 TCP server 모드에서는 수신하였을 때 반드시 ACK를 전송하여야 하는 과정을 거쳐야 한다.
TCP Server mode의 동작 과정에 대한 과정은 도 14에서와 같다.
먼저, TCP socket를 Open한 후 Client의 connect를 기다린다.(S1401)
이때, TCP 소켓의 상태는 Listen 상태로 변경한다.(S1402)
Listen 상태에 대한 값은 wizGetSocketStatus() 함수를 이용하여 확인하면 TCP_LISTEN(0x01)의 값을 확인할 수 있다.
다음으로, TCP의 상태가 정상적으로 Listen 상태가 된 후에는 TCP client가 송신한 SYN 패킷을 기다리는 상태를 유지한다.(S1404)
만약 게이트웨이에 사용된 IPv4/IPv6 모듈이 TCP Listen 상태에서 TCP client로부터 SYN를 정상적으로 수신하면 자동적으로 Client에게 SYN-ACK를 송신함과 동시에 Client로부터 ACK의 수신을 기다린다.(S1403)(S1404)
이러한 방식으로 Three-way handshaking이 완료되면 TCP의 상태가 LISTEN 상태에서 TCP_ESTABLISHED로 업데이트 된다.(S1405)
이때, IS_CONNECTED() 함수를 이용하면 현재 상태가 TCP_ESTABLISHED인지를 확인할 수 있다.
마지막으로, 내부적으로 소켓 상태가 TCP_ESTABLISHED인가를 확인한 후 수신 데이터 크기가 0보다 큰지 확인한다.(S1406) 수신 데이터 크기가 0보다 큰 경우 게이트웨이에 사용된 IPv4/IPv6 모듈은 MCU로부터 데이터를 읽는다.(S1407)
그리고 게이트웨이에 사용된 IPv4/IPv6 모듈로부터 읽은 데이터를 wizTCPSend() 함수를 이용하여 Destination에 데이터를 전송하게 된다.(S1408) 이 후 다시 TCP 상태는 Listen 상태로 복귀하게 된다.
도 15는 루프백을 위한 TCP 클라이언트 모드의 동작 순서를 나타낸 플로우 차트이다.
UDP 모드를 수행한 후 마지막으로 살펴볼 동작 모드는 TCP 통신 기반 TCP Client 모드이다.
TCP client mode의 동작 과정은 도 15에서와 같이, 먼저, TCP 소켓을 Open한 후 Server에 연결하기 위해 SYN 패킷을 송신한다.(S1501)
이때 SYN 패킷은 최대 3번만 전송하며, 3번 이내에 서버로 부터 응답(SYN-ACK)이 없으면, Time-out으로 인하여 TCP의 상태를 Closed로 변경한다.(S1507)
다음으로, 만일 SYN 패킷에 대한 응답을 수신하게 되면(S1502) 내부적으로 ACK를 서버에 전송하고(S1503) TCP 상태를 TCP_ESTABLISHED로 변경한다.(S1504)
마지막으로, Three-way handshaking이 완료되면 상태가 TCP_ESTABLISHED로 자동으로 업데이트 된다. 내부적으로 소켓 상태가 TCP_ESTABLISHED인가를 확인하고, 수신 데이터의 크기가 0보다 큰지를 확인한다.(S1505)
수신 데이터의 크기가 0보다 클 경우 게이트웨이에 사용된 IPv4/IPv6 모듈에서 데이터를 읽은 후 MCU에게 전달한다.(S1506)
그리고 도 16은 본 발명에 따른 실시간 PTT 산출을 위한 플로우 차트이다.
먼저, ECG 및 PPG 신호로부터 정점 분석(Peak Analysis)에 사용되는 임계값을 설정하기 위해 3 초간 기다린다. 3 초가 지난 후에는 Moving window size를 200으로 설정하여 ECG 데이터를 200 개 단위로 구분한다.(S1601)
구분된 데이터들은 정점 분석(Peak Analysis) 알고리즘에 의해 첫 번째 피크값을 산출한다.(S1602)
일반적으로 ECG 신호의 경우 QRS 군이 지속되는 시간이 0.08초에서 0.12 초 사이다. 그렇기 때문에 ECG 데이터에서 피크값을 나타내는 R파의 경우 QRS 군이 지속되는 구간 내에 반드시 존재한다.
ADC 샘플링 주파수는 512Hz 이기 때문에 약 51개의 샘플링 데이터가 0.1초에 해당하는 구간이다.
따라서, 시작점을 Max값으로 설정을 한 후, 다음 50개의 샘플 데이터를 비교하여 가장 큰 값을 Peak Point로 변환한다.
하지만, 50개의 샘플링 구간중 R파가 존재하지 않을 경우가 발생하여 최초 3초 동안의 ECG 데이터의 평균값을 임계값으로 설정하여 Start Point가 이값보다 큰 경우에만 유사 코드(Pseudo code)와 같이 동작하도록 구성한다.
이와 같은 동작으로 Positive Peak 지점을 추출하였으며, 같은 방식을 적용하여 Negative Peak 지점도 추출한다.
두 번째, 상기 첫 번째 과정을 수행하여 첫 번째 Peak 값을 추출한 후 동일한 방법을 적용하여 다음 Peak 값을 연속해서 추출하였으며(S1603), 추출된 시간 정보 (t1 , t2)를 저장한다.(S1604)
그리고 저장된 시간 정보를 통해 두 Peak 지점의 시간 차 (t2 - t1)를 계산하였다. 이와 같이 산출된 시간 차가 ECG 신호의 R-R interval 정보이다.
세 번째, 두 번째 과정에 의해 산출된 ECG의 R-R interval 만큼의 샘플링 데이터 수를 파악하여 PPG 신호의 Moving window size에 반영한다.(S1605)
PTT는 ECG 파형의 R Peak 이후 말초혈관에서 측정된 PPG의 Peak까지의 시간 차이다. 따라서, 첫 번째 ECG 신호의 R Peak와 두 번째 ECG 신호의 R Peak 사이에 반드시 하나의 PPG 신호의 Peak가 존재한다.
네 번째, ECG 데이터의 R-R interval 사이에 존재하는 PPG 데이터의 Negative Peak와 Positive Peak 지점을 Peak Analysis를 이용하여 시간 정보 (TN)와 (TP)로 각각 추출한다.(S1606)
이 두 지점의 평균 값을 환산하여 시간 정보(T1)를 추출한다.
다섯 째, 첫 번째 ECG의 Peak 지점의 시간 정보인 (t1)과 PPG 신호의 S점과 P점의 중간 지점의 시간 정보 T1 =( TN + TP )/2을 이용하여 첫 번째 PTT 시간 정보인 PTT = (T1- t1)를 산출한다.(S1607)
여섯 째, 상기와 같은 일련의 과정을 측정하고자 하는 ECG 신호의 마지막 지점까지 연속적으로 수행하여 PTT를 산출한다.(S1608)
그리고 도 17은 본 발명에 따른 실시간 수축기 혈압 추정을 위한 플로우 차트이다.
본 발명에서는 센서 모듈로부터 획득한 ECG, SpO2 신호와 PTT 산출 알고리즘에 의해 산출된 PTT를 사용하여 실시간으로 수축기 혈압을 추정할 수 있는 알고리즘을 제안한다.
본 발명에 따른 실시간 수축기 혈압 추정 알고리즘은 도 17에서와 같이, 첫 번째, Peak Analysis와 같이 임계 값을 설정하기 위해 3초간 기다린 후 초당 512 개의 데이터로 샘플링 된 데이터를 다시 128 Hz의 샘플링 주파수를 사용하여 데이터의 크기를 1/4로 감소시키는 과정을 수행한다.(S1701)
두 번째, 연산되는 데이터 수가 128개로 줄어든 IRAC, IRDC, REDAC,REDDC 데이터를 1초 동안 저장한 후 그 평균 값을 1초 간격으로 산출한다.(S1702)
세 번째, 산출된 IRAC, IRDC, REDAC, REDDC 데이터의 평균 값을 수학식 1에 적용하여 실시간 SpO2 값을 1초에 한 번씩 연산한다.(S1703)
Figure 112013088434386-pat00003
SpO2 광 모듈에서 획득되는 신호의 성분은 AC 성분과 DC 성분으로 구분된다.
여기서, AC 성분은 말초혈관을 통과하는 혈액에 의해 흡수된 광량을 나타낸다. 그리고 DC 성분은 모세혈관이나 근육, 표피, 뼈와 같은 조직에 의해 흡수된 광량을 나타낸다.
혈중 산소 포화도를 의미하는 SpO2의 경우 98~99%가 건강한 일반인의 수치이다.
즉, 적색 광원과 적외선 광원에 의한 AC 성분과 DC 성분에 대한 변화양의 차이가 거의 없을 경우 100%에 가까운 수치가 나타난다. 하지만 혈액 내의 HbO2와 Hb의 비율이 다를 때는 SpO2의 변화가 뚜렷이 나타나게 된다.
일반적으로, SpO2가 95% 이하가 되면 인지능력이 감소하게 된다. 또한, 뇌나 장기에 공급되는 산소가 부족하여 주의력이나 집중력이 떨어지며, 쉽게 피로감을 느낀다. 90% 이하일 경우, 호흡곤란 증세를 나타내며, 저산소증으로 인해 기억력이나 인지능력이 현저하게 저하된다.
네 번째, 이전 단계에서 산출된 SpO2 값, 추출된 PTT 값, 실시간으로 측정되는 ECG 데이터를 해당 레지스터에 각각 배열로 저장한다.(S1704)
다섯 번째, 상기와 같은 과정을 53초까지 반복적으로 수행한 후 결과값을 저장한 후 53 번째 저장된 SpO2 값 SpO2[k53], 9 번째 저장된 PTT값 PTT[j9], 첫 번째 저장된 ECG 값 ECG[i1] 값을 추출한다.(S1705)
여섯 번째, SpO2[k53], PTT[j9], ECG[i1] 정보를 수축기 혈압 추정 모델에 적용하여 실시간 수축기 혈압(SYS BP)을 산출한다.(S1706)
일곱 번째, 산출된 실시간 수축기 혈압(SYS BP)을 다시 혈압 정보 SYS BP[x1]으로 저장하여(S1707) 사용자의 기준 혈압(Reference SYS BP)보다 20mmHg 이상일 경우 사용자에게 통보한다.(S1708)
여덟 번째, 상기와 같은 일련의 과정을 최종 ECG가 유입되기 전까지 연속적으로 수행하여 실시간 수축기 혈압을 추정한다.(S1709)
그리고 도 18은 본 발명에 따른 실시간 이완기 혈압 추정을 위한 플로우 차트이다.
실시간 이완기 혈압 추정 알고리즘은 도 18에서와 같이, 이완기 혈압은 ECG 신호 없이 PTT와 SpO2 신호만을 사용하여 추정한다.
첫 번째, 실시간 수축기 혈압 추정 알고리즘과 같이 임계 값을 설정하기 위해 3초간 기다린 후 초당 512 개의 데이터로 샘플링된 데이터를 다시 128 Hz의 샘플링 주파수를 사용하여 데이터의 크기를 1/4로 감소시키는 과정을 수행한다.(S1801)
두 번째, 연산되는 데이터 수가 128개로 줄어든 IRAC, IRDC, REDAC,REDDC 데이터를 1초 동안 저장한 후 그 평균 값을 1초 간격으로 산출한다.(S1802)
세 번째, 산출된 IRAC, IRDC, REDAC, REDDC 데이터의 평균 값을 수학식 1에 적용하여 실시간 SpO2 값을 1초에 한 번씩 연산한다.(S1803)
네 번째, 이전 단계에서 산출된 SpO2 값과 추출된 PTT 값을 해당 레지스터에 각각 배열로 저장한다.(S1804)
다섯 번째, 상기와 같은 과정을 31초까지 반복적으로 수행하여 결과값을 저장한 후 31 번째 저장된 SpO2 값(SpO2[k31])과 첫 번째 저장된 PTT 값 PTT[j1]을 추출한다.(S1805)
여섯 번째, 이 후 10초 동안 저장된 SpO2[k31 -40]과 PTT[j1 -10] 데이터를 구간 평균 수식을 이용하여 Rj (t)와 Rk (t)를 산출한다.(S1806)
일곱 번째, Rj (t)와 Rk (t) 정보를 이완기 혈압 추정 모델을 적용하여 실시간 이완기 혈압(DIA BP)을 산출한다.(S1807)
여덟 번째, 산출된 실시간 이완기 혈압(DIA BP)은 다시 혈압 정보 DIA BP[y1]으로 저장되어(S1808) 사용자의 기준 혈압(Reference DIA BP)보다 20mmHg 이하일 경우 사용자에게 통보한다.(S1809)
아홉 번째, 상기와 같은 일련의 과정을 최종 ECG가 유입되기 전까지 연속적으로 수행하여 실시간 이완기 혈압을 추정한다.(S1810)
이와 같은 본 발명에 따른 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템 및 방법은 ECG와 PPG 신호 및 ECG와 SpO2 신호를 이용하여 맥파전달시간(Pulse Transit Time)을 산출한 후 혈압을 추정하고 지속적으로 혈압을 모니터링 할 수 있도록 한 것이다.
또한, 전력 공급이 안정적으로 유지되고, 무선통신을 이용하여 측정된 생체신호들을 송신 또는 수신할 수 있도록 구성하고, 언제, 어디서나 생체신호를 측정할 수 있도록 인체에 부착되는 센서들의 측정된 데이터가 무선통신에 의해 인터넷 환경으로 전송되도록 하여 유비쿼터스 헬스 및 모바일 헬스케어 환경에서 휴대가 가능하면서 사용하기 편리하도록 한 것이다.
그리고 IPv4를 기반으로 하는 TCP/IP 통신을 지원할 뿐만 아니라 IPv6 환경에서도 제약 없이 동작할 수 있는 WBAN 기반의 플랫폼을 제공하고, 이를 통해, 고혈압 환자들은 지속적으로 혈압을 모니터링 하여 위험이 닥치기 전에 관리할 수 있으며, 정상인들의 경우 일상적인 고혈압 예방도 가능하도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
20. 센서 모듈 30. 게이트웨이 모듈
40. 모니터링 시스템 50. 듀얼 스택 드라이버

Claims (24)

  1. 인체의 심전도(ECG)와 광전용적맥파(PPG), 산소포화도(SpO2) 신호들을 측정하여 디지털 변환하여 무선 전송하는 센서 모듈;
    상기 센서 모듈로부터 무선 전송된 생체 신호 데이터를 수신한 후 IPv4 또는 IPv6 기반의 TCP/IP 통신을 이용해 인터넷으로 전송하는 게이트 모듈;
    상기 게이트 모듈을 통하여 수신된 생체 신호 데이터를 분석하여 실시간으로 혈압을 추정하여 화면 출력 및 데이터 저장을 수행하는 모니터링 시스템;
    IPv4와 IPv6 환경을 동시에 지원하고 주소 등록 및 SPI(Serial to Peripheral Interface) 초기화, 하드웨어 리셋 동작을 수행하고, 하드웨어 리셋 후의 IPv6와 IPv4에 대한 자동 구성(Auto-configuration) 과정, 수신 또는 송신되는 패킷의 상태에 따른 동작 모드를 결정하는 루프 백 동작을 수행하는 듀얼 스택 드라이버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 모듈은,
    신체에서 측정되는 생체신호를 처리하는 센서부와,
    상기 센서부에 의해 측정된 아날로그 신호를 양자화하여 디지털 신호로 변환하는 디지털 측정 시스템과,
    디지털 측정 시스템에 의해 측정된 신호를 무선 전송하는 블루투스 통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 센서부는 ECG 신호 획득 회로를 포함하고,
    ECG 신호 획득 회로는,
    ECG 신호에 혼입되어 입력되는 전원 잡음인 60Hz 잡음을 제거하기 위한 노치 필터(notch filter) 회로와, 차동증폭기 입력전원인 ±15V 직류전압에 혼입된 리플(ripple) 잡음을 제거하기 위한 동상제거(CMRR; Common Mode rejection Ratio) 회로와,
    ECG 전극들 간의 전위차를 검출하기 위한 차동증폭기와,
    차동증폭 회로와 CMRR 회로를 거친 ECG 신호를 필터링하는 고역통과필터 및 저역통과필터와,
    고역통과필터와 저역통과필터를 거친 ECG 신호를 증폭하여 ADC로 전달하는 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 센서부는 PPG와 SpO2를 동시에 측정할 수 있는 PPG 센서를 포함하고,
    PPG 센서의 발광부는 940nm의 파장을 가진 적외선 LED와 660nm의 파장을 가진 적색 LED가 포함되어 있고, 수광부에는 포토 다이오드가 내장되는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, PPG 센서는,
    검출된 PPG 신호를 증폭하는 제 1 연산증폭기와,
    증폭된 PPG 신호를 필터링하는 고역통과필터 및 저역통과필터와,
    고역통과필터와 저역통과필터를 거친 PPG 신호의 극성이 반전 (inverting)되도록 증폭하는 제 2 연산 증폭기와,
    직류성분과 교류성분이 공존하는 PPG 신호에서 직류성분은 제거하고 교류성분만 추출하기 위한 AC 커플링 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 센서부는 SpO2 신호를 측정하기 위해서,
    660nm 파장을 가진 적색 광과 940nm 파장의 적외선 광을 한 주기씩 순차적으로 발광시켜 인체의 말초혈관 부위에 조사한 후 인체를 투과한 광량이 포토 다이오드에 의해 검출되도록 구성되는 타이밍 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 모니터링 시스템은,
    다중 생체신호를 모니터링 하기 위한 PC 기반의 모니터링 시스템과,
    스마트폰 환경에서 동작하는 스마트폰 기반 모니터링 시스템과,
    대용량 데이터 처리가 가능한 웹 기반의 모니터링 시스템으로 구분되는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 PC 기반의 모니터링 시스템은,
    신호 모니터링을 위한 신호 모니터링부, 신호 처리를 위한 신호 처리부, 신호 분석 및 알람을 위한 검출부로 구성되고, 1개의 채널로부터 전달되는 데이터 크기는 16 bit이고,
    ECG, PPG, SpO2 신호의 화면 출력은 2초 동안의 데이터를 한 번에 나타내도록 구성하고, 화면 출력과 동시에 텍스트 파일에 실시간으로 저장되도록 하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 신호 처리를 위한 신호 처리부는,
    FFT(Fast Fourier Transform) 과정을 수행하여 시간영역에서의 시계열 데이터를 주파수 영역(frequency domain)으로 변환하여 진단에 사용되는 파라미터 및 정보를 추출하고, 유한 임펄스 응답(FIR; Finite Impulse Response)을 적용하여 최적화는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 웹 기반의 모니터링 시스템은 서버 플랫폼, 파일 프로세싱부,실시간 분석부로 구성되고,
    이벤트 지향 비동기식 API를 지원해 주는 이벤트 기반의 분산 웹 서버(Distributed Web Server)를 사용하여 구축되어 ECG, PPG, SpO2 신호의 화면 출력을 1초에 한 번씩 업데이트 하도록 구성하고, 화면 출력과 동시에 생체 신호 정보들을 데이터베이스 서버에 저장되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템.
  11. 인체의 심전도(ECG)와 광전용적맥파(PPG), 산소포화도(SpO2) 신호들을 측정하여 디지털 변환하여 무선 전송하는 단계;
    수신된 생체 신호 데이터를 IPv4 또는 IPv6 기반의 TCP/IP 통신을 이용해 인터넷으로 전송하는 단계;
    게이트 모듈을 통하여 수신된 생체 신호 데이터를 분석하여 실시간으로 혈압을 추정하기 위하여, IPv4/IPv6 듀얼 스택 드라이버가 주소 등록 및 SPI(Serial to Peripheral Interface) 초기화, 하드웨어 리셋 동작을 수행하고, 하드웨어 리셋 후의 IPv6와 IPv4에 대한 자동 구성(Auto-configuration) 과정, 수신 또는 송신되는 패킷의 상태에 따른 동작 모드를 결정하는 루프 백 동작을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 초기화 과정과 H/W 리셋 과정은 소켓 통신이 끝날 때마 수행하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 하드웨어 리셋 후의 IPv6와 IPv4에 대한 자동 구성(Auto-configuration) 과정은,
    IPv4 환경에 속하고 있는지 IPv6 환경에 속하고 있는지를 탐색하는 단계와,
    만약 IPv6 주소가 할당되지 않은 상태라면, IPv4 환경에서 동작하도록 하는 단계와,
    IPv6 환경에 속해 있다면 수동으로 IPv6 주소가 할당되어 있는지 자동으로 IPv6 주소를 할당받을 것인지를 판단하는 단계;
    만약, 수동 IPv6 주소일 경우에는 이를 즉시 반영하여 Main 함수로 진입하고, 아니면 Link-local address를 할당하는 단계와,
    DAD(Duplicate Address Detection)를 수행하기 위한 NS(Neighbor Solicitation) 패킷을 송신하는 단계와,
    이후 NA(Neighbor Advertisement) 패킷을 수신하면 다시 새로운 주소를 생성해서 같은 과정을 반복하고, NA 패킷 수신이 없다면, RS(Router Solicitation) 패킷을 송신하고, RA(Router Advertisement) 패킷의 수신을 기다리는 단계와,
    명령어 실행 확인 함수를 이용하여 자동 구성(Configuration)이 완료되는 것을 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, RA 패킷을 받는 것은 Global IPv6 Address의 외부 연결하기 위한 상위 64 bit의 Prefix 주소를 받는 과정으로,
    외부 통신이 가능한 Global IPv6 Address를 라우터로부터 상위 64 bit 주소를 다시 할당받음으로써 Full IPv6 address를 할당받게 되는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, RA 패킷을 수신하지 못하면 내부 통신이 가능한 Link Local address만으로 동작하여 Global IPv6 Address를 할당받은 후 설정된 시간내에 다시 DAD(Duplicate Address Detection) 과정을 수행하여,
    NS 패킷을 송신한 후 NA 패킷이 수신되지 않으면, 주변에 같은 주소를 사용하는 노드가 없다는 것으로 판단하여 Main 함수로 진입하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.
  16. 제 13 항에 있어서, Link-local address는 상위64 bit의 Link-local Prefix와 인터페이스 아이디를 포함하고 있는 하위 64 bit를 결합한 주소이며, 이 주소를 할당한 후 DAD(Duplicate Address Detection)를 수행하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.
  17. 제 11 항에 있어서, 수신 또는 송신되는 패킷의 상태에 따른 동작 모드를 결정하는 루프 백 동작을 수행하는 단계에서,
    IPv4/IPv6 모듈이 UDP 루프백 모드, TCP 서버 루프백 모드, TCP 클라이언트 루프백 모드로 구분되어 동작하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.
  18. ECG와 PPG 신호 및 SpO2 신호를 이용하여 맥파전달시간(Pulse Transit Time)을 산출한 후 혈압을 추정하기 위하여,
    ECG 및 PPG 신호로부터 정점 분석(Peak Analysis)에 사용되는 임계값을 설정하기 위해 대기한 후 ECG 데이터를 설정 단위로 구분하는 단계;
    구분된 데이터들을 이용하여 정점 분석(Peak Analysis) 알고리즘으로 첫 번째 피크값을 산출하는 단계;
    첫 번째 Peak 값을 추출한 후 동일한 방법을 적용하여 다음 Peak 값을 연속해서 추출하고, 추출된 시간 정보(t1 , t2)를 저장하는 단계;
    R-R 인터벌이 되는 두 Peak 지점의 시간 차 (t2 - t1)를 계산하여 샘플링 데이터 수를 파악하여 PPG 신호의 무빙 윈도우 사이즈(Moving window size)에 반영하는 단계;
    ECG 데이터의 R-R 인터벌 사이에 존재하는 PPG 데이터의 네거티브 피크(Negative Peak)와 포지티브 피크(Positive Peak) 지점을 정점 분석을 이용하여 시간 정보 (TN)와 (TP)로 각각 추출하는 단계;
    첫 번째 ECG의 피크 지점의 시간 정보(t1)과 PPG 신호의 S점과 P점의 중간 지점의 시간 정보 T1 =( TN + TP )/2을 이용하여 첫 번째 PTT 시간 정보인 PTT = (T1- t1)를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 PTT는 ECG 파형의 R 피크 이후 말초혈관에서 측정된 PPG의 피크까지의 시간 차이이고, 첫 번째 ECG 신호의 R 피크와 두 번째 ECG 신호의 R 피크 사이에 반드시 하나의 PPG 신호의 피크가 존재하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.
  20. ECG와 PPG 신호 및 SpO2 신호를 이용하여 실시간 수축기 혈압 추정을 위하여,
    정점 분석을 위한 임계값을 설정하기 위하여 대기 한 후에 샘플링된 데이터의 크기를 감소시키는 단계;
    연산되는 데이터 수가 줄어든 적외선 광원에 의한 AC 성분(IRAC ), 적외선 광원에 의해 DC 성분(IRDC ), 적색 광원에 의한 AC 성분(REDAC ), 적색 광원에 의한 DC 성분(REDDC ) 데이터를 설정시간 동안 저장하고 그 평균값을 설정 시간 간격으로 산출하는 단계;
    산출된 IRAC, IRDC, REDAC, REDDC 데이터의 평균값을 이용하여 실시간으로 SpO2 값을 1초에 한 번씩 연산하는 단계;
    산출된 SpO2 값, 추출된 PTT 값, 실시간으로 측정되는 ECG 데이터를 해당 레지스터에 각각의 배열로 저장하는 단계;
    상기 단계들을 53초 동안 반복적으로 수행한 후 결과값을 저장한 후 53 번째 저장된 SpO2값 SpO2[k53], 9 번째 저장된 PTT값 PTT[j9], 첫 번째 저장된 ECG 값 ECG[i1] 값을 추출하는 단계;
    SpO2[k53], PTT[j9], ECG[i1] 정보를 수축기 혈압 추정 모델에 적용하여 실시간 수축기 혈압(SYS BP)을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 산출된 실시간 수축기 혈압(SYS BP)을 다시 혈압 정보 SYS BP[x1]으로 저장하고, 사용자의 기준 혈압(Reference SYS BP)보다 20mmHg 이상일 경우 사용자에게 통보하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 산출된 IRAC, IRDC, REDAC, REDDC 데이터의 평균값을 이용하여 실시간으로 SpO2 값을 연산하는 단계는,
    적색 광원과 적외선 광원에 의한 AC 성분과 DC 성분에 대한 변화양을
    Figure 112013088434386-pat00004
    으로 연산하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.
  23. PTT 신호 및 SpO2 신호를 이용하여 실시간 이완기 혈압 추정을 위하여,
    정점 분석을 위한 임계값을 설정하기 위하여 대기 한 후에 샘플링된 데이터의 크기를 감소시키는 단계;
    연산되는 데이터 수가 줄어든 적외선 광원에 의한 AC 성분(IRAC ), 적외선 광원에 의해 DC 성분(IRDC ), 적색 광원에 의한 AC 성분(REDAC ), 적색 광원에 의한 DC 성분(REDDC ) 데이터를 설정시간 동안 저장하고 그 평균값을 설정 시간 간격으로 산출하는 단계;
    산출된 IRAC, IRDC, REDAC, REDDC 데이터의 평균값을 이용하여 실시간으로 SpO2 값을 1초에 한 번씩 연산하는 단계;
    이전 단계에서 산출된 SpO2 값과 추출된 PTT 값을 해당 레지스터에 각각의 배열로 저장하는 단계;
    상기 단계들을 31초까지 반복적으로 수행하여 결과값을 저장한 후 31 번째 저장된 SpO2 값(SpO2[k31])과 첫 번째 저장된 PTT 값(PTT[j1])을 추출하는 단계;
    이후 10초 동안 저장된 SpO2[k31 -40]과 PTT[j1 -10] 데이터를 구간 평균 수식을 이용하여 Rj (t)와 Rk (t)를 산출하는 단계;
    Rj (t)와 Rk (t) 정보를 이완기 혈압 추정 모델을 적용하여 실시간 이완기 혈압(DIA BP)을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 산출된 실시간 이완기 혈압(DIA BP)을 다시 혈압 정보 DIA BP[y1]으로 저장하고, 사용자의 기준 혈압(Reference DIA BP)보다 20mmHg 이하일 경우 사용자에게 통보하는 것을 특징으로 하는 IPv6 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 방법.

KR20130116158A 2013-09-30 2013-09-30 ＩＰｖ６ 기반의 다중 생체신호를 이용한 실시간 혈압 추정 모니터링 시스템 및 방법 KR101491320B1 (ko)

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