KR101524248B1 - 필름형 생체신호 측정장치를 이용한 심폐지구력 측정시스템 및 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 심폐지구력(CPF, CardioPulmonary Fitness) 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 필름형태로 이루어져 피부에 부착이 용이하며 심전도 신호와 진동 신호를 동시에 측정이 가능한 필름형 생체신호 측정장치를 이용하여 일상생활 중에 매우 간편하게 심폐지구력를 측정할 수 있는 새로운 형태의 심폐지구력 측정시스템 및 측정방법에 관한 것이다.

Description

필름형 생체신호 측정장치를 이용한 심폐지구력 측정시스템 및 측정방법{SYSTEM AND METHOD FOR CARDIOPULMONARY FITNESS ESTIMATIION USING FILM-TYPE BIO-SIGNAL MEASUREMENT DEVICE}

본 발명은 심폐지구력 측정시스템 및 측정방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 필름형태로 이루어져 피부에 부착이 용이하며 심전도 신호와 진동 신호를 동시에 측정이 가능한 필름형 생체신호 측정장치를 이용하여 심폐지구력 지표를 추정할 수 있는 새로운 형태의 심폐지구력 측정시스템 및 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로 알려진 상식과 다르게 질병과 관계된 사망률보다 운동 및 생활습관이 사망률에 더 큰 영향을 끼치며, 현대에 이르러서는 질병 발생 후 치료 중심의 의학에서 질병 발생 전 예방하는 의학으로 패러다임이 변해가고 있다.

질병 예방과 건강 관리를 위해 운동 및 생활습관인 신체활동(physical activity)를 일상생활 중에 관리해 줄 수 있는 다양한 솔루션이 존재하는데, 대표적으로 운동량 측정장치가 있다.

운동량 측정장치는 가속도계를 이용하여 운동량을 추정하는 방식을 이용하며, 운동량의 적절한 추정을 위해서는 1~3개의 가속도 센서를 몸통이나 팔다리에 부착하여 최소 4일 정도 측정하여야 한다. 운동량 연산은 가속도신호를 이용해 운동량으로 환산하는 방법을 주로 이용하여 에너지를 얼마나 소모하였는지를 알 수 있다. 하지만 운동량 측정장치는 에너지 소모와 신체활동만 관리하기 때문에, 운동과 신체활동이 축적되어 개인이 얼마나 건강해졌는지, 실제적으로 신체건강(physical fitness)가 얼마나 개선되었는지를 확인하는 것은 불가능하다.

신체건강(Physical fitness) 중 하나인 심폐지구력 지표(CPF, Cardiopulmonary fitness)는 신체활동을 수행하기 위해 혈액과 호흡을 통해 산소를 공급하는 능력에 관한 지표로써, 다양한 건강지표와 연계하여 분석하였을 때 사망률과도 밀접한 관계가 있음이 밝혀져 있다.

일반적으로 심폐지구력 지표는 최대산소 섭취량(VO₂max)가 이를 대표적으로 설명한다고 알려져 있으며, 운동을 통해 개선이 가능하다고 알려져 있다. 운동을 통해 최대산소 섭취량(VO₂max)가 개선되면 사망률이 현저하게 줄어든다는 것이 밝혀져 있어서 심폐지구력 지표를 잘 관리해야 하지만, 일상생활에서 심폐지구력 지표를 확인할 수 있는 방법이나 장치는 널리 퍼져있지 않으며, 일반이나 의료진이 최대산소 섭취량(VO₂max)를 건강 관리에 이용하는 경우는 매우 드문 실정이다.

최대산소 섭취량(VO₂max)를 측정하는 방법은 매우 다양한데, 직접적인 방법으로는 호흡 가스 분석기를 장착하고 운동부하검사를 하면서 산소 소모량을 분석하는 방법이 있으며, 간단한 프로토콜의 최대하부하운동(submaximal exercise test)을 통해 측정하는 방법, 비운동(non-exercise) 기반으로 인구통계학적 요소(demographic factor)를 이용해서 연산하는 방법, 운동량과 심박을 이용하는 방법 등이 존재한다.

운동부하검사나 최대하부하운동을 이용하는 방법은 정확성은 비교적 높으나, 검사 중 상해, 사망의 위험성 있기 때문에 환자나 노약자가 검사를 수행하는 데는 문제가 있으며, 비운동 기반의 인구통계학적 요소를 이용하는 것은 신체활동이나 운동에 대한 신체 반응을 직접 측정한 것이 아니기 때문에 실제 지표와는 차이가 존재할 수 밖에 없는 문제가 있다.

운동량과 심박을 이용하는 방법은 1주일간의 심박수와 가속도계 측정값으로 나눈 평균값과 인구통계학적 변수(demographic parameter)를 복합적으로 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 방법인데, 1주일동안이나 센서를 부착하여야 하기 때문에 그 측정이 매우 불편하다는 문제가 있다. 특히 종래의 측정장치는 그 크기가 크고 전선들이 많아 사용이 번거로우며 이동중에 사용이 어렵기 때문에, 일상생활 중에 센서를 부착하여 측정하기는 현실적으로 불가능한 실정이다.

본 발명은 필름형태로 이루어져 피부에 부착이 용이하며 심전도 신호와 진동 신호를 동시에 측정이 가능한 필름형 생체신호 측정장치를 이용하여 일상생활 중에 매우 간편하게 심폐지구력 지표를 추정할 수 있는 새로운 형태의 심폐지구력 추정시스템 및 측정방법에 관한 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 심폐지구력 추정시스템는 필름형태의 압전소자, 상기 압전소자에 형성되는 다수의 금속박막전극, 상기 다수의 금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 심전도 신호를 측정하는 제1회로부 및 상기 다수의 금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 진동 신호를 측정하는 제2회로부를 포함하는 필름형 생체신호 측정장치; 및 상기 제1회로부에서 측정된 심전도 신호와 상기 제2회로부에서 측정된 진동 신호를 이용하여 심폐지구력을 측정하는 심폐지구력 지표 추정부;를 포함한다.

다른 측면에서의 본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템는 필름형태의 압전소자, 상기 압전소자에 형성되는 다수의 금속박막전극, 상기 다수의 금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 심전도 신호를 측정하는 제1회로부 및 상기 다수의 금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 진동 신호를 측정하는 제2회로부를 포함하는 필름형 생체신호 측정장치; 가속도센서; 및 상기 제1회로부에서 측정된 심전도 신호, 상기 제2회로부에서 측정된 진동 신호 및 상기 가속도센서에서 측정된 신호를 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 심폐지구력 지표 추정부;를 포함한다.

또 다른 측면에서의 본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템는 필름형태의 압전소자를 이용하여 심전도 신호와 진동 신호를 동시에 측정하는 필름형 생체신호 측정장치; 및 상기 필름형 생체신호 측정장치에서 동시에 측정된 심전도 신호와 진동 신호를 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 심폐지구력 추정부;를 포함한다.

또 다른 측면에서의 본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템는 필름형태의 기판, 상기 기판의 부착면에 서로 전기적으로 연결되지 않도록 형성된 적어도 2개 이상의 금속박막전극, 상기 기판의 반대면에 형성되어 상기 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 심전도 신호를 측정하는 제1회로부를 포함하는 생체신호 측정장치; 가속도센서; 및 상기 제1회로부에서 측정된 심전도 신호와 상기 가속도센서로부터 측정된 신호를 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 심폐지구력 지표 추정부;를 포함한다.

또 다른 측면에서의 본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템는 필름형태의 압전소자, 상기 압전소자에 형성되는 다수의 금속박막전극, 상기 다수의 금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 심전도 신호를 측정하고 상기 측정된 심전도 신호로부터 단위시간마다 심박수를 산출하는 제1회로부 및 상기 다수의 금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 진동 신호를 측정하고 상기 측정된 진동 신호로부터 단위시간마다 운동량을 산출하는 제2회로부를 포함하는 필름형 생체신호 측정장치; 및 상기 제1회로부에서 단위시간마다 산출된 심박수와 상기 제2회로부에서 단위시간마다 산출된 운동량을 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 심폐지구력 지표 추정부;를 포함한다.

한편, 본 발명에 따른 심폐지구력 측정방법은 동시에 연속적으로 측정되는 심전도 신호와 인체움직임 신호를 이용하여 심폐지구력을 측정하는 심폐지구력 측정방법에 있어서, 동시에 연속적으로 측정되는 심전도 신호와 인체움직임 신호 각각으로부터 단위시간마다 심박수와 운동량을 산출하여 저장하는 단계; 상기 저장된 심박수와 운동량 데이터 중 상기 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 데이터를 추출하는 단계; 상기 추출된 심박수와 운동량 데이터를 이용하여 상기 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 사이의 회귀식을 검출하는 단계; 상기 검출된 회귀식을 이용하여 최대활동에너지 소모량을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 최대활동에너지 소모량과 기 저장된 최대산소 섭취량 추정 회귀식을 이용하여 최대산소 섭취량을 계산하는 단계;를 포함한다.

다른 측면에서의 본 발명에 따른 심폐지구력 측정방법은 동시에 연속적으로 측정되는 심전도 신호와 인체움직임 신호를 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 심폐지구력 측정방법에 있어서, 동시에 연속적으로 측정되는 심전도 신호와 인체움직임 신호 각각으로부터 단위시간마다 심박수와 운동량을 산출하여 저장하는 단계; 상기 저장된 심박수와 운동량 데이터 중 상기 심박수가 감소하는 구간에서의 심박수와 운동량 데이터를 추출하는 단계; 상기 추출된 심박수와 운동량 데이터를 이용하여 상기 심박수가 감소하는 구간에서의 심박수와 운동량 사이의 회귀식을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 회귀식을 이용하여 항상성 유지 능력을 추정하는 단계;를 포함한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템 및 측정방법에 의하면, 필름형태로 이루어져 피부에 부착이 용이하며 심전도 신호와 진동 신호를 동시에 측정이 가능한 필름형 생체신호 측정장치를 이용하여 심폐지구력 지표를 추정할 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템 및 측정방법은 피부 부착이 용이한 필름형 생체신호 측정장치를 이용하여 일상생활중에 쉽고 간단하게 심폐지구력 지표를 추정할 수 있기 때문에, 지속적인 심폐지구력 지표 측정 및 관리를 통해 개인의 신체활동(physical activity) 뿐만 아니라 신체건강(physical fitness)를 관리할 수 있으며, 그에 따라 개인의 건강 관리에 큰 도움을 주는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템 및 측정방법은 종래의 측정장치와 같이 의도적인 최대하부하운동을 통해 심폐지구력을 측정하지 않아도 되기 때문에 건강한 사람 뿐만 아니라 환자, 노인 등의 심폐지구력도 쉽고 안전하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 효과들은 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위와 상세한 설명의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 필름형 생체신호 측정장치를 나타내는 도면으로서, 도 1은 압전소자의 부착면을 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 2는 압전소자의 반대면을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 3 내지 및 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 필름형 생체신호 측정장치를 나타내는 도면으로서, 도 3은 측정장치의 개략적인 단면도이고, 도 4는 압전소자의 부착면을 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 5는 압전소자의 반대면을 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 6은 기판의 형성면을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 제1회로부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 제2회로부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 필름형 생체신호 측정장치의 일 예를 나타내는 사진으로서, 도 9는 압전소자의 부착면이 위로 향하는 상태를 나타내는 사진이고, 도 10은 압전소자의 반대면 또는 기판을 더 포함하여 이루어지는 경우에는 기판의 형성면이 위로 향하는 상태를 나타내는 사진이다.
도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 심폐지구력 측정시스템를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 12는 연속적으로 동시에 측정된 심전도 신호와 진동 신호로부터 1분마다 산출되어 저장된 심박수와 운동량을 나타내는 도표이고, 도 13은 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 데이터만을 추출하여 단순회귀식을 도출하는 것을 나타내는 도표이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 심폐지구력 측정시스템를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 15는 압전소자의 진동 신호을 이용하는 것 없이 가속도센서만을 이용하여 인체움직임 신호를 측정하는 심폐지구력 측정시스템의 일실시 예를 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 16은 압전소자의 진동 신호을 이용하는 것 외에 추가적으로 가속도센서가 더 구비되는 심폐지구력 측정시스템의 일실시 예를 개략적으로 나타내는 구성도이다.

이하, 본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

본 발명은 피부 부착이 용이하도록 필름형태의 압전소자에 다수의 금속박막전극과 회로부를 형성시키고, 이러한 다수의 금속박막전극과 회로부를 이용하여 인체의 전기신호뿐만 아니라 진동신호까지도 동시에 측정할 수 있는 필름형 생체신호 측정장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 필름형 생체신호 측정장치에 의하면, 동시에 측정된 인체의 전기신호와 진동신호로부터 심박수, 스트레스 지수, 심탄도, 혈압, 운동량, 호흡수, 심폐지구력, 최대산소 섭취량 등과 같은 다양한 형태의 건강지표에 대한 생체 정보를 추출할 수 있다.

본 발명의 일실시 예에 따른 필름형 생체신호 측정장치는, 필름형 압전소자, 필름형 압전소자의 일면(생체신호 측정을 위해 피부에 부착되는 면, 이하 '부착면'이라 한다)에 서로 전기적으로 연결되지 않도록 형성되는 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극, 필름형 압전소자의 다른 일면(생체신호 측정을 위해 피부에 부착되는 면의 반대면, 이하 '반대면'이라 한다)에 형성되는 제2금속박막전극, 제1회로부 및 제2회로부를 포함한다.

압전소자(Piezoelectric material)는 고체에 힘을 가하였을 때 결정 겉면에 전기적 분극이 일어나는 압전효과(Piezoelectric Effect)를 가지는 압전물질로 이루어진 부품으로서, 이러한 압전소자를 금속판 사이에 끼워 넣으면 소리, 진동, 압력 등을 감지할 수 있게 된다. 예를들어, 압전소자에 압력을 가하면 압전소자에 전기가 발생하게 되는데, 이와 같이 압력소자에 압력을 가할 때 나타나는 전기량의 변화를 측정하면 압전소자에 가하여진 압력 정도를 측정할 수 있게 된다. 압전물질은 압력을 가했을 때 전위차(전압)가 발생되는 원리를 이용한 물질로서, 수정, 로셀염, 티탄산바륨(BaTiO), 인공세라믹(PZT) 등이 있다.

본 발명은 인체의 전기신호뿐만 아니라 인체의 피부에서 감지되는 압력, 진동 등도 측정할 수 있도록 압전소자를 이용한 것이며, 특히 필름형태로 이루어진 얇은 압전소자를 이용하고 이러한 필름형 압전소자의 부착면에 금속박막 형태로 전극을 형성함으로써 생체신호 측정시 피부에 부착이 용이하도록 한 것이다.

또한, 본 발명은 서로 전기적으로 연결되지 않는 독립적인 제1금속박막전극을 압전소자의 부착면에 복수개 즉, 적어도 2개 이상 형성시킴으로써, 인체의 피부에서 감지되는 압력, 진동 등을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 인체의 전기신호도 측정할 수 있도록 한 것이다. 여기서 제1금속박막전극을 압전소자의 부착면에 적어도 2개 이상 형성시키는 이유는 인체의 전기신호를 측정하기 위해서는 적어도 2개 이상의 전극의 전위차를 측정하여야 하기 때문이다. 그리고 압전소자의 부착면에는 3개 이상의 제1금속박막전극을 형성시킬 수도 있는데, 그 이유는 심전도와 같은 생체신호를 더욱 정밀하게 측정하기 위한 것이다. 심전도 측정은 박동하는 심장의 전기적 신호를 측정하기 위하여 인체의 최소한 2곳에서의 전위차를 측정할 수 있도록 최소 2개의 전극이 사용되어야 하며, 정밀한 심전도 측정을 위하여는 최대 10개의 전극을 사용하기도 한다. 따라서 본 발명에 따른 필름형 생체신호 측정장치에 있어서, 압전소자의 부착면에 형성되는 제1금속박막전극의 개수는 적어도 2개 이상으로 형성되면 되고, 본 발명은 제1금속박막전극의 그 이상의 개수에 한정하지 않는다.

또한, 본 발명은 필름형 압전소자의 반대면에 제2금속박막전극을 형성함으로써, 인체의 전기신호뿐만 아니라 인체의 압력, 진동 등도 측정할 수 있도록 한 것이다. 일반적으로 압력, 진동 등을 측정하기 위해서는 압전소자를 금속판 사이에 위치시켜 압전소자에 압력이 가해진 경우에 발생하는 압전소자의 전기량의 변화를 측정하여야 하며, 따라서 본 발명은 압전소자의 반대면에 제2금속박막전극을 형성시킨 것이다. 여기서 압력, 진동 등을 측정하기 위하여 압전소자를 사이에 두고 제2금속박막전극과 대향하는 전극은 압전소자의 부착면에 형성된 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 필름형 생체신호 측정장치에 있어서, 압전소자의 부착면에는 전기신호를 측정하기 위한 제1금속박막전극과 압력, 진동 등을 측정하기 위한 제1금속박막전극이 형성되는데, 이때 압력, 진동 등을 측정하기 위한 제1금속박막전극은 전기신호를 측정하기 위한 제1금속박막전극과 공용으로 사용될 수 있다. 다만 본 발명은 그에 한정하지 않으며, 압력 등을 측정하기 위한 제1금속박막전극을 전기신호를 측정하기 위한 제1금속박막전극과 별도로 압전소자의 부착면에 형성시킬 수도 있으며, 이 경우 압전소자의 부착면에 형성되어야 하는 제1금속박막전극의 개수는 적어도 3개 이상일 수 있다.

또한, 본 발명은 압전소자의 부착면과 반대면에 형성된 제1금속박막전극과 제2금속박막전극으로부터 인체의 전기신호와 압력 등을 측정하기 위한 제1회로부와 제2회로부가 압전소자의 반대면에 형성된다.

제1회로부는 제1금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극과 전기적으로 연결되도록 압전소자의 반대면에 형성되어 상기 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극들 사이의 전위차를 측정하도록 구비된다. 그리고 이와 같이 제1회로부가 압전소자의 부착면에 형성되는 제1금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극들 사이의 전위차를 측정하도록 구비되면, 이로부터 인체의 전기신호를 측정할 수 있으며 나아가 심전도 등의 생체신호를 측정할 수 있게 된다.

제2회로부는 제1금속박막전극 중 적어도 어느 하나의 제1금속박막전극과 제2금속박막전극에 전기적으로 연결되도록 압전소자의 반대면에 형성되어 상기 적어도 어느 하나의 제1금속박막전극과 제2금속박막전극으로부터 압전소자의 전하량을 측정하도록 구비된다. 그리고 이와 같이 제2회로부가 압전소자의 전하량을 측정하도록 구비되면, 인체의 압력, 진동 등에 의해 압전소자에 압력이 가해는 경우에 압전소자에 발생하는 전기량 변화를 측정할 수 있으며, 따라서 인체의 압력, 진동 등을 측정할 수 있게 되며 나아가 심탄도, 운동량 등의 생체신호를 측정할 수 있게 된다. 여기서 제2회로부가 전기적으로 연결되는 제1금속박막전극은 제2금속박막전극과 더불어 압전소자의 전하량을 측정하는데 기준이 되는 기준전극이 되는데, 이러한 기준전극이 되는 제1금속박막전극으로는 압전소자의 부착면에 형성되는 제1금속박막전극 모두를 이용하거나 그 중 일부를 이용하거나 또는 그 중 어느 하나를 이용할 수도 있으며, 그에 따라 제2회로부가 전기적으로 연결되는 제1금속박막전극의 개수가 달라질 수 있으며, 본 발명은 그에 한정하지 않는다.

바람직하게, 상기 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극과 상기 제1회로부의 전기적 연결은 압전소자에 형성된 관통홀에 충진된 전도성 물질에 의해 이루어질 수 있다. 그러면 압전소자를 사이에 두고 각각 부착면과 반대면에 형성되는 제1금속박막전극과 제1회로부는 쉽게 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서 관통홀에 충진되는 전도성 물질은 전도성 에폭시, 금속 리벳, 납땜 등과 같이 전기가 통할 수 있는 어떤 소재라도 사용될 수 있으며, 다만 필름형 압전소자에 형성된 관통홀에 충진된다는 점을 고려하면, 전도성 물질로는 전도성 에폭시를 사용하는 것이 보다 바람직하다 할 것이다.

또한, 상기 제1금속박막전극 중 적어도 어느 하나의 제1금속박막전극과 제2회로부의 전기적 연결은 압전소자에 형성된 관통홀에 충진된 전도성 물질에 의해 이루어질 수 있으며, 제2금속박막전극과 제2회로부의 전기적 연결은 압전소자의 반대면에 형성된 금속박막에 의해 이루어질 수 있다. 그러면, 압전소자를 사이에 두고 각각 부착면과 반대면에 형성되는 제1금속박막전극과 제2회로부는 관통홀에 충진된 전도성 물질에 의해 쉽게 전기적으로 연결될 수 있으며, 같은 면인 압전소자의 반대면에 형성되는 제2금속박막전극과 제2회로부는 압전소자의 반대면에 형성된 금속박막에 의해 쉽게 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서 제2금속박막전극과 제2회로부의 전기적 연결을 위한 금속박막은 제1회로부와 제2회로부 구성을 위한 금속박막패턴 형성시 함께 형성될 수 있으며, 또한 제1금속박막전극과 제2회로부의 전기적 연결은 관통홀에 충진된 전도성 물질에 의해 이루어질 수도 있지만, 이미 제1금속박막전극과 전기적으로 연결된 제1회로부와 금속박막에 의해 연결되도록 함으로써 관통홀 형성없이 제1금속박막전극에 전기적으로 연결되도록 구성될 수도 있다.

또한, 제1회로부는 전기적으로 연결된 어느 하나의 제1금속박막전극과 다른 하나의 제1금속박막전극 사이의 전위차를 측정할 수 있도록 상기 어느 하나의 제1금속박막전극과 상기 다른 하나의 제1금속박막전극 사이에 op-amp(operational amplifier)가 구비될 수 있다.

또한, 제1회로부는 단지 2개의 제1금속박막전극 사이의 전위차를 측정하도록 구비될 수도 있지만, 압전소자의 부착면에 제1금속박막전극이 3개 이상으로 여러개 형성된 경우에는 상기 3개 이상의 제1금속박막전극 중 선택적으로 2개의 제1금속박막전극의 전위차를 측정하도록 구성될 수도 있다. 그러면, 인체의 전기신호를 보다 정밀하게 측정할 수 있어서 심전도 등의 생체신호를 더욱더 정밀하게 측정할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 필름형 생체신호 측정장치는 일면(이하 '부착면'이라 한다)에 서로 전기적으로 연결되지 않도록 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극이 형성되고, 다른 일면(이하 '반대면'이라 한다)에 제2금속박막전극이 형성된 필름형 압전소자와, 어느 일면(압전소자와 접착결합되는 접착면, 이하 '접착면'이라 한다)이 압전소자의 반대면에 접착결합되는 필름형 기판을 포함하고, 상기 필름형 기판의 다른 일면(접착면의 반대면, 이하 '형성면'이라 한다)에는, 제1금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극과 전기적으로 연결되어 상기 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극 사이의 전위차를 측정하는 제1회로부와, 제1금속박막전극들 중 적어도 어느 하나의 제1금속박막전극과 전기적으로 연결되는 제3금속박막전극과, 제2금속박막과 제3금속박막전극에 전기적으로 연결되어 제1금속박막전극, 제3금속박막전극 및 제2금속박막전극으로부터 압전소자의 전하량을 측정하는 제2회로부가 형성될 수 있다.

즉, 본 실시 예에 따른 필름형 생체신호 측정장치는 상기 실시 예에 따른 측정장치가 하나의 압전소자의 부착면과 반대면에 각각 제1금속박막전극, 제2금속박막전극, 제1회로부 및 제2회로부가 형성되는 것과 달리, 압전소자의 반대면에 부착되는 별도의 필름형 플렉서블 기판을 더 포함하여 이루어지고, 제1금속박막전극과 제2금속박막전극은 압전소자의 부착면과 반대면에 형성되고, 나머지 제1회로부 및 제2회로부는 기판의 형성면에 형성되며, 또한 기판의 형성면에는 제1금속박막전극 중 적어도 어느 하나와 전기적으로 연결되는 제3금속박막전극이 더 형성된다.

이와 같은 구성을 가지는 본 실시 예에 따른 측정장치에 의하면, 압전소자의 전하량을 측정하기 위한 기준전극이 되는 2개의 전극 중 하나는 기판의 형성면에 형성된 제3금속박막전극과 상기 제3금속박막전극과 전기적으로 연결된 압전소자의 부착면에 형성된 적어도 어느 하나의 제1금속박막전극이 되고, 다른 하나는 압전소자의 반대면에 형성된 제2금속박막전극이 되기 때문에, 기준전극 중 하나인 제2금속박막전극이 다른 하나인 제1금속박막전극과 제3금속박막전극 사이에 감싸진 형태 예를들어, 샌드위치 형태의 shield 구조로 이루어져 그만큼 노이즈를 제거할 수 있어서 압전소자의 전하량 측정을 더욱 정밀하게 할 수 있으며, 따라서 인체의 압력, 진동 등에 따른 압전소자의 전하량 변화를 더욱 민감하게 측정할 수 있게 된다.

또한, 본 실시 예에 따른 측정장치에 있어서, 압전소자와 기판의 접착결합은 접착제 또는 양면테이프에 의해 이루어질 수 있으며, 그 사이에 절연을 위한 것이거나 또는 어느 정도의 강성유지를 위한 것이나 별도의 다른 부재가 더 개재될 수도 있으며, 본 발명은 그에 한정하지 않는다.

바람직하게, 상기 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극과 제1회로부의 전기적 연결은 압전소자와 기판에 형성된 관통홀에 충진된 전도성 물질에 의해 이루어질 수 있으며, 상기 적어도 어느 하나의 제1금속박막전극과 제3금속박막전극의 전기적 연결은 압전소자와 상기 기판에 형성된 관통홀에 충진된 전도성 물질에 의해 이루어질 수 있으며, 제2금속박막전극과 제2회로부의 전기적 연결은 기판에 형성된 관통홀에 충진된 전도성 물질에 의해 이루어질 수 있으며, 제3금속박막전극과 제2회로부의 전기적 연결은 기판의 다른 일면에 형성된 금속박막에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 제1회로부는 상기 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극 중 선택적으로 2개의 제1금속박막전극의 전위차를 측정하도록 구성될 수 있음은 상기 실시 예에서 설명된 바와 같으며, 기타 다른 구성에 대한 상세한 설명은 상기 실시 예에서의 상세한 설명을 원용한다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 필름형 생체신호 측정장치는 일면(이하 '부착면'이라 한다)에 서로 전기적으로 연결되지 않도록 적어도 3개 이상의 금속박막전극이 형성되고, 다른 일면(이하 '반대면'이라 한다)에 제2금속박막전극이 형성된 필름형 압전소자와, 어느 일면(이하 '접착면'이라 한다)이 압전소자의 반대면에 접착결합되는 필름형 기판을 포함하고, 상기 기판은 상기 접착면의 반대면(이하 '형성면'이라 한다)에 제1금속박막전극 중 어느 하나의 제1금속박막전극을 제외한 나머지 제1금속박막전극과 전기적으로 연결되도록 형성되어 상기 나머지 제1금속박막전극 사이의 전위차를 측정하는 제1회로부와, 형성면에 상기 어느 하나의 제1금속박막전극과 전기적으로 연결되도록 형성되는 제3금속박막전극과, 형성면에 제2금속박막전극과 제3금속박막전극에 전기적으로 연결되도록 형성되어 상기 어느 하나의 제1금속박막전극, 제3금속박막전극 및 제2금속박막전극으로부터 압전소자의 전하량을 측정하는 제2회로부를 포함한다.

바람직하게, 제1회로부는 제3금속박막전극과 전기적으로 연결되어 상기 어느 하나의 제1금속박막전극을 기준전극으로 하여 상기 나머지 제1금속박막전극 사이의 전위차를 측정하도록 구성될 수 있다.

이와 같은 구성을 가지는 본 실시 예에 따른 측정장치에 의하면, 제1금속박막전극이 압전소자의 부착면에 적어도 3개 이상 형성되고, 제1회로부가 상기 적어도 3개 이상의 제1금속박막전극 중 어느 하나를 기준전극으로 하여 나머지 제1금속박막전극 사이의 전위차를 측정하기 때문에 그만큼 정밀한 측정이 가능하며, 따라서 인체의 전기신호를 더욱 정밀하게 측정할 수 있어서 심전도 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.

바람직하게, 상기 나머지 제1금속박막전극과 제1회로부의 전기적 연결은 압전소자와 기판에 형성된 관통홀에 충진된 전도성 물질에 의해 이루어질 수 있으며, 상기 어느 하나의 제1금속박막전극과 제3금속박막전극의 전기적 연결은 압전소자와 기판에 형성된 관통홀에 충진된 전도성 물질에 의해 이루어질 수 있으며, 제2금속박막전극과 제2회로부의 전기적 연결은 기판에 형성된 관통홀에 충진된 전도성 물질에 의해 이루어지질 수 있으며, 제3금속박막전극과 제1회로부, 제3금속박막전극과 제2회로부의 전기적 연결은 기판의 다른 일면에 형성된 금속박막에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 제1회로부는 상기 나머지 제1금속박막전극 중 선택적으로 2개의 제1금속박막전극의 전위차를 측정하도록 구성될 수 있음은 상기 실시 예에서 설명된 바와 같으며, 기타 다른 구성에 대한 상세한 설명은 상기 실시 예에서의 상세한 설명을 원용한다.

또한, 이러한 구성을 가지는 본 실시 예에 따른 측정장치에 의하면, 제1회로부와 제2회로부가 어느 하나의 제1금속박막전극을 공용으로 사용하기 때문에 그만큼 구성이 간단해질 수 있으며, 나아가 제1회로부가 기준전극으로 사용할 제1금속박막전극과의 전기적 연결이 상기 제1금속박막전극과 전기적으로 연결된 제3금속박막전극과 이루어지면 되기 때문에 별도로 관통홀 형성함이 없이 기판의 형성면에 제1회로부와 제2회로부 형성을 위한 금속박막패턴 형성시 제1회로부와 제3금속박막전극을 전기적으로 연결하는 금속박막을 형성하면 되므로, 그만큼 구성과 제조방법이 간단해질 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 필름형 생체신호 측정장치는 압전소자의 부착면에 구비되거나 또는 압전소자와 기판을 감싸도록 구비되어 압전소자의 부착면이 피부에 용이하게 점착되도록 하는 점착부재를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 점착부재로는 실리콘, PDMS 등이 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 필름형 생체신호 측정장치는 제1회로부와 제2회로부에서 측정된 신호를 저장하는 저장부와 상기 신호를 측정장치 외부로 전송하는 전송부 중 적어도 어느 하나를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서 전송부는 유선, 무선 또는 유무선의 형태로도 구성될 수 있다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 필름형 생체신호 측정장치는 전체적으로 필름형태로 이루어져 구성이 간단하면서도 피부에 부착이 용이하여 사용이 편리하다. 또한 본 발명에 따른 필름형 생체신호 측정장치는 피부에 부착된 경우에 동시에 인체의 전기신호와 압력, 진동 등을 측정할 수 있으며, 나아가 2개의 서로 다른 생체신호로부터 심박수, 스트레스 지수, 심탄도, 혈압, 운동량, 호흡수, CPF, VO₂max 등과 같은 다양한 형태의 건강지표에 대한 생체 정보를 추출할수 있다. 이와같이 본 발명에 따른 필름형 생체신호 측정장치는 복수 개의 생체 신호를 간편하게 측정하면서 이를 이용하여 심박수, 스트레스 지수, 심탄도, 혈압, 운동량, 호흡수, CPF, VO₂max 등을 추가적으로 산출할 수 있기 때문에 다양한 건강 지표를 쉽게 관리할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예들을 상세히 설명한다. 다만 첨부 도면에서, 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이며, 따라서 본 발명은 첨부도면에 도시된 상대적인 크기나 두께에 의해 제한되지 않는다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 측정장치를 나타내는 도면으로서, 도 1은 압전소자의 부착면을 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 2는 압전소자의 반대면을 개략적으로 나타내는 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 측정장치(10)는 필름형 압전소자(12), 압전소자(12)의 부착면에 형성된 3개의 제1금속박막전극들(21,23,25), 압전소자(12)의 반대면에 형성된 제2금속박막전극(31), 압전소자(12)의 반대면에 형성된 제1회로부(32) 및 제2회로부(33)를 포함한다.

제1회로부(32)는 제1금속박막전극들(21,23,25) 사이의 전위차를 측정하기 위한 것으로서, 압전소자(12)에 형성된 관통홀(22,24,26)에 충진된 전도성 물질(27)을 통해 제1금속박막전극들(21,23,25)과 전기적으로 연결될 수 있다.

제2회로부(33)는 제1금속박막전극들(21,23,25) 중 어느 하나의 전극(21)과 제2금속박막전극(31)으로부터 압전소자(12)의 전하량을 측정하기 위한 것으로서, 압전소자(12)에 형성된 관통홀(22)과 압전소자(12)의 반대면에 형성된 금속박막(28)을 통해 상기 어느 하나의 전극(21)과 제2금속박막전극(31) 각각에 전기적으로 연결될 수 있다.

또한, 상기 3개의 제1금속박막전극들(21,23,25)은 전위차 측정시 기준전위 설정을 위한 기준전극(21), 전위차 측정을 위한 전위차측정전극(23,25)으로 이루어질 수 있으며, 특히 기준전극(21)은 제2회로부(33)에 의한 압전소자(12)의 전하량을 측정하기 위한 기준전극인 상기 어느 하나의 전극(21)과 공용으로 사용될 수 있다.

제2회로부(33)와 기준전극(21)인 상기 어느 하나의 전극(21)의 전기적 연결은 압전소자(12)에 형성된 제1관통홀(22)과 제1관통홀(22)에 충진된 전도성물질(27)에 의해 이루어질 수 있으며, 제1회로부(32)와 각각의 전위차측정전극(23,25)의 전기적 연결은 압전소자(12)에 형성된 제2관통홀(24)과 제3관통홀(26), 상기 제1,2관통홀들(24,26)에 충진된 전도성물질(27)에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 도면에는 도시되지 않지만, 제1회로부(32)와 기준전극(21)의 전기적 연결은 별도의 관통홀과 상기 관통홀에 충진된 전도성물질에 의해 이루어질 수도 있으며, 또는 기준전극(21)과 전기적으로 연결된 제2회로부(33)와 회로적으로 연결됨에 의해 이루어질 수도 있다.

압전소자(12)의 부착면에는 제1금속박막전극들(21,23,25)이 서로 전기적으로 연결되지 않도록 금속박막이 형성되지 않는 비형성영역(14)이 형성될 수 있으며, 또한 각각의 관통홀(22,24,26)은 각각의 제1금속박막전극(21,23,25) 형성영역에 설치될 수도 있지만, 도면에 보이는 바와 같이 각각의 관통홀(22,24,26)은 연장영역(29)에 의해 각각의 제1금속박막전극(21,23,25) 형성영역으로부터 소정거리 이격된 위치에 형성될 수도 있다.

또한, 도면에서 보이는 바와 같이, 제1금속박막전극들(21,23,25) 중 압전소자(12)의 전하량을 측정하기 위한 기준전극임과 동시에 전위차측정시 기준 전위 설정을 위한 전극인 기준전극(21)은 압전소자(12)의 부착면의 테두리에 넓게 형성됨이 바람직하며, 그에 따라 전위차측정전극들(23,25)은 압전소자(12)의 부착면의 대략 중심부에 서로 전기적으로 연결되지 않도록 형성됨이 바람직하다. 기준전극(21)은 제2금속박막전극(31)과 함께 압전소자(12)의 전하량을 측정하기 위한 기준전극으로서 압전소자(12)의 부착면이 피부에 부착된 경우에 압전소자(12)의 전하량 변화를 정밀하게 측정하기 위해서는 압전소자(12)의 부착면에 넓게 형성됨이 바람직하기 때문이다.

한편, 본 발명에 따른 필름형 생체신호 측정장치(10)는 본 실시 예에서와 같이 압전소자(12)의 전하량을 측정하기 위한 기준전극으로서 상기 기준전극(21)만을 사용하도록 구성될 수도 있지만, 다른 실시 예로 압전소자(12)의 전하량 변화를 보다 정밀하게 측정하기 위하여 압전소자(12)의 부착면에 형성된 모든 제1금속박막전극(21,23,25)을 기준전극으로 사용하도록 구성될 수도 있다.

도 3 내지 및 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 필름형 생체신호 측정장치를 나타내는 도면으로서, 도 3은 측정장치의 개략적인 단면도이고, 도 4는 압전소자의 부착면을 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 5는 압전소자의 반대면을 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 6은 기판의 형성면을 개략적으로 나타내는 평면도이다.

본 실시 예에 따른 측정장치(40)를 설명함에 있어서, 편의상 본 실시 예에 따른 측정장치(40)의 구성 중 상기 실시 예에 따른 측정장치(10)와 동일한 구성에 대한 도면부호와 상세한 설명은 상기 실시 예에서의 도면부호와 상세한 설명을 원용한다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 실시 예에 따른 측정장치(40)는 압전소자(42), 압전소자(42)의 반대면에 접착결합되는 필름형 플렉서블(flexible) 기판(50) 및 압전소자(12)와 기판(50)을 접착결합시키기 위한 접착부재(43)를 포함한다. 접착부재(43)는 접착제 또는 양면테이프가 사용될 수 있다.

압전소자(42)의 부착면에는 3개의 제1금속박막전극들(21,23,25)이 형성되며, 압전소자(42)의 반대면에는 제2금속박막전극(31)이 형성될 수 있으며, 압전소자(42)의 반대면에 접착결합되는 기판(50)의 접착면의 반대면인 기판(50)의 형성면에는 제3금속박막전극(34), 제1회로부(32) 및 제2회로부(33)가 형성될 수 있다.

상기 3개의 제1금속박막전극들(21,23,25)은 전위차 측정시 기준전위 설정을 위한 기준전극(21)과 전위차 측정을 위한 전위차측정전극(23,25)으로 이루어질 수 있으며, 제1회로부(32)와 각각의 전위차측정전극(23,25)의 전기적 연결은 압전소자(12)와 기판(50)에 형성된 제2관통홀(24)과 제3관통홀(26), 제2,3관통홀들(24,26)에 충진된 전도성물질(27)에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 제3금속박막전극(34)과 기준전극(21)의 전기적 연결은 압전소자(42)와 기판(50)에 형성된 제4관통홀(44)과 제4관통홀(44)에 충진된 전도성물질(27)에 의해 이루어질 수 있으며, 제3금속박막전극(34)과 제2회로부(33)의 전기적 연결은 기판(50)의 형성면에 형성된 금속박막(45)을 통해 이루어질 수 있으며, 제2금속박막전극(31)과 제2회로부(33)의 전기적 연결은 기판(50)에 형성된 제5관통홀(46)과 제5관통홀(46)에 충진된 전도성물질(27)에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 도면에는 도시되지 않지만, 제1회로부(32)와 기준전극(21)의 전기적 연결은 별도의 관통홀과 상기 관통홀에 충진된 전도성물질에 의해 직접 기준전극(21)에 전기적으로 연결될 수도 있으며, 또는 제2회로부(33)와 제3금속박막전극(34)이 금속박막(45)에 의해 전기적으로 연결되는 것과 같이 기판(50)의 형성면에 별도로 형성되는 금속박막에 의해 제3금속박막전극(34)과 전기적으로 연결됨으로써 기준전극(21)에 전기적으로 연결될 수도 있으며, 또는 제3금속박막전극(34)을 통해 기준전극(21)과 전기적으로 연결된 제2회로부(33)와 회로적으로 연결됨에 의해 기준전극(21)과 전기적으로 연결될 수도 있다.

또한, 도 5에서 보이는 바와 같이, 압전소자(42)의 반대면에는 각각의 제2,3,4관통홀(24,26,44)들이 서로 전기적으로 연결되지 않도록 금속박막이 형성되지 않는 비형성영역(47)이 형성될 수 있다.

이와 같은 구성을 가지는 본 실시 예에 따른 측정장치(40)는 압전소자(42)의 전하량을 측정하기 위한 기준전극 중 하나인 제2금속박막전극(31)이 다른 하나의 기준전극을 이루는 기준전극(21)과 제3금속박막전극(34) 사이에 구비되기 때문에 그만큼 노이즈를 제거할 수 있어서 보다 정밀한 압전소자(42)의 전하량 측정이 가능해지는 장점을 제공한다.

한편, 도면에는 도시되지 않지만, 본 발명에 따른 필름형 생체신호 측정장치는 피부 부착을 용이하게 하는 실리콘, PDMS 등으로 이루어지는 점착부재, 제1회로부와 제2회로부에서 측정된 신호를 저장하는 저장부 및 상기 신호를 측정장치 외부로 전송하는 전송부를 더 포함하여 이루어질 수 있음은 상술한 바와 같다.

바람직하게, 상기 점착부재는 측정장치의 피부 부착을 용이하게 하면서도 측정장치를 보호하는 커버역할도 수행하도록 측정장치 전체를 감싸도록 구비될 수 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 제1회로부와 제2회로부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면으로서, 도 7은 측정된 전위차로부터 심전도(ECG, electrocardiogram) 신호를 측정하도록 구성된 제1회로부의 일 예를 개략적으로 나타내는 회로도이고, 도 8은 측정된 압전소자의 전하량으로부터 심탄도(BCG, ballistocardiogram) 신호를 측정하도록 구성된 제2회로부의 일 예를 개략적으로 나타내는 회로도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 제1회로부는 2개의 전위차측정용전극부(ⓐ), 상기 2개의 전위차측정용전극으로부터 피부 표면의 전위차를 추출하기 위한 pre-amp 회로부(ⓑ), 상기 두 피부 표면의 전위로부터 상기 2개의 전위차측정용전극의 전위차를 측정하는 전위차 측정 회로부(ⓒ), 측정된 전위차 신호를 필터링하여 심전도 신호만을 추출하기 위한 필터 회로부(ⓓ)를 포함하여 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 pre-amp 회로부(ⓑ)는 점착부재가 측정장치 전체를 둘러싸도록 구비되는 것과 같이, 전극과 인체 사이에 다른 물질(ex. 접착젤, 옷 등)이 있어서 전극이 인체에 직접 접촉하지 못하는 경우에 신호 획득을 위해 필요한 회로부이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시 에에 따른 제2회로부는 심탄도 측정을 위한 2개의 전극부(ⓔ)와, 상기 심탄도 측정용 전극에 충전된 전하량을 전압 신호로 변경하여 필터링하는 회로부(ⓕ)를 포함하여 이루어질 수 있다.

한편, 제1회로부와 제2회로부는 측정장치에 연결된 전극들의 전위 변화를 측정하고 이를 계산, 저장, 전송하는 기능을 담당하도록 구성될 수도 있으며, 또한 전원(배터리)도 함께 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 측정장치에 있어서, 제2회로부에 의해 측정된 신호에는 호흡, 인체 움직임 정보가 함께 담겨 있으므로(모두다 인체 표면의 진동이나 움직임에 의해 발생되는 신호이므로), 제2회로부에 의해 측정된 신호를 주파수 대역 필터를 따로 구성하여 호흡과 인체 움직임 정보를 심탄도 신호와 분리하도록 구성됨이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 측정장치는 측정된 심전도, 심탄도, 호흡, 인체 움직임 신호가 ADC를 거쳐 메인 프로세서(MCU)에 저장되도록 하고, 이러한 정보들을 이용하여 부차적인 건강 지표를 산출하도록 구성될 수도 있으며, 또한 이와 같이 측정된 생체 신호를 micro sd카드, eeprom 등과 같은 별도의 저장공간에 저장하거나, wifi, 블루투스, zigbee, 그 외 RF 등과 같은 무선통신을 이용하여 스마트폰, 스마트패드, 컴퓨터 등과 같은 다른 처리장치에 전송하도록 구성될 수도 있다.

도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 측정장치의 일 예를 나타내는 사진으로서, 도 9는 압전소자의 부착면이 위로 향하는 상태를 나타내는 사진이며, 도 10은 압전소자의 반대면 또는 기판을 더 포함하여 이루어지는 경우에는 기판의 형성면이 위로 향하는 상태를 나타내는 사진이다.

위에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 측정장치는 필름형 압전소자(10)와 함께 별도의 플렉서블한 필름형 기판을 더 포함하여 이루어질 수도 있는데, 실제로는 두 경우 모두다 필름형으로 얇은 박막의 형태로 이루어지기 때문에 육안으로 구분하기 어려우며, 도 9 및 도 10에서 보이는 바와 같이, 어느 경우이든 본 발명에 따른 측정장치는 필름형으로 매우 얇은 박막의 형태로 이루어져 피부 부착이 용이하며, 그 구성이 매우 간단해질 수 있다.

이하 본 발명에 따른 필름형 생체신호 측정장치의 사용 예를 설명한다.

먼저, 접착부재를 이용하여 가슴 피부 표면에 측정 장치를 부착한다.

이후 약 1일동안 측정장치를 부착한 채로 생활하고 그동안의 심전도, 심탄도, 인체 움직임 자료를 기록한다.

이때, 측정장치를 피부에 부착하여 측정하는 동안 생체신호 데이터를 스마트폰, 스마트패드, 컴퓨터 등에 무선 전송하거나 장치 내부의 저장 장치에 저장할 수도 있으며, 또는 둘 다 이루어지도록 할 수도 있다.

생체 신호를 외부로 바로 전송하는 경우에는 전송받은 기기에서 신호 처리를 하고 목표로 하는 건강 지표를 계산할 수 있으며, 생체 신호를 장치 내부에 저장한 경우 에는 하루 정도의 시간 동안 데이터를 측정한 후 가슴에서 떼어내어 별도의 도킹 시스템에 올려서 연속적으로 측정된 데이터 전부를 한꺼번에 스마트폰, 스마트패드, 컴퓨터 등에 전송할 수도 있다.

도킹 시스템은 저장된 데이터를 추출하기 위해 NFC를 이용하거나 무선 데이터 전송 프로토콜(블루투스,지그비,와이파디 등)을 구성하여 전송이 가능하도록 구성될 수도 있으며, 데이터 전송용 접촉단자를 외부로 구성하여 접촉을 통해 전송이 가능하도록 구성될 수도 있으며, 측정장치의 충전이 가능하도록 구성될 수도 있다.

이후, 하루 동안 측정한 데이터를 모두 추출하고, 측정장치의 충전이 완료되면 다음날 사용시에 접착부재를 새것으로 교체하여 다시 측정할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 필름형 생체신호 측정장치는 인체의 전기신호와 진동신호와 같은 복수 개의 생체 신호를 동시에 간편하게 측정하면서 이를 이용하여 심박수, 스트레스 지수, 심탄도, 혈압, 운동량, 호흡수, VO₂max 등의 건강 지표 산출을 위한 신호 처리가 추가적으로 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

예를 들어, 이러한 건강 지표 산출을 위한 신호 처리 중 심박수는 심전도 신호를 분석하여 R피크간의 시간간격을 계산하여 분당 심박수를 계산함으로써 산출될 수 있다. 또한 스트레스 지수는 심박수를 FFT 처리하여 주파수 영역에서의 데이터를 확보하고, 주파수 영역에서 심박수의 저주파 영역과 고주파 영역의 비율을 계산함으로써 스트레스 지수를 산출할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 제2회로부에서 측정된 신호는 심탄도, 호흡, 인체 움직임 정보를 모두 담고 있기 때문에, 이들 중에서 심탄도 신호만을 분리하기 위해서는 제2회로부에서 측정된 신호를 대략 0.2 ~ 10 Hz 대역통화 필터를 거치도록 하면 검출이 가능하고, 또한 호흡수는 제2회로부에서 측정된 신호를 대략 0.2~2Hz 대역통과 필터를 거치도록 하면 검출이 가능하고, 인체 움직임은 제2회로부에서 측정된 신호를 대략 1 ~ 30 Hz 대역통과 필터를 거치도록 하면 검출이 가능하다.

또한, 혈압의 추정은 심전도와 심탄도 신호 사이의 시간차이를 분석함으로써 측정이 가능하다. 예를들어, 심장이 전기적인 자극을 받아서 박동하기 시작할 때 심전도에서 R피크 신호가 나타나고 심장이 그 이후에 혈액을 뿜어낼 때 심탄도에서 가장 큰 피크인 J피크가 나타나므로, 심전도에서 R피크가 발생하는 시각과 심탄도에서 J피크가 발생하는 시각 사이의 차이는 수축기 혈압과 직접적인 관계를 갖고 있으며 따라서 이에 관한 공식을 이용하여 혈압의 추정이 가능해질 수 있다.

또한, 최대산소섭취량(VO₂max)은 심혈관계 건강 정도를 나타내는 대표적인 지표로서 사망률과도 밀접한 관계가 있는 등 중요함에도 불구하고 측정이 번거롭기 때문에 일반적으로 널리 쓰이지 못하고 있는 실정인데, 본 발명에 따른 측정장치를 이용하여 특정 운동량일 때 심박수가 얼마나 올라가는지를 분석하고, 인체 움직임과 심박수를 이용하여 연산함으로써 측정이 가능해질 수 있다.

이하에서는 상술한 바와 같은 필름형 생체신호 측정장치를 이용하여 심폐지구력(CPF, CardioPulmonary Fitness) 지표를 추정하는 심폐지구력 측정시스템의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 심폐지구력 측정시스템를 개략적으로 나타내는 구성도이다.

본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템(200)는 상술한 바와 같은 필름형 생체신호 측정장치(10,40)를 이용하여 심폐지구력을 측정하는 장치로서, 필름형 생체신호 측정장치(10,40)와, 상기 측정장치(10,40)에서 측정된 심전도 신호와 진동 신호를 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 심폐지구력 지표 추정부(210)를 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템(200)는 피부 부착이 용이하며 심전도 신호와 진동 신호를 동시에 연속적으로 측정가능한 필름형 생체신호 측정장치(10,40)를 이용하기 때문에 일상생활 중에 매우 간편하게 심폐지구력를 측정할 수 있다.

필름형 생체신호 측정장치(10,40)는 필름형태의 압전소자(12,42), 압전소자(12,42)에 형성되는 다수의 금속박막전극(21,23,25,31,34), 다수의 금속박막전극(21,23,25,31,34) 중 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 각각 심전도(ECG) 신호와 진동 신호를 측정하는 제1회로부(32) 및 제2회로부(33)를 포함한다. 즉, 본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템(200)에 이용되는 필름형 생체신호 측정장치(10,40)는 제1회로부(32)가 심전도 신호를 측정하도록 구성되고, 제2회로부(33)가 진동 신호를 측정하도록 구성된다. 제1회로부(32)는 심전도 신호 처리부로서, instrumentation amp부, 필터부로 구성될 수 있으며, 생체신호 측정장치(10,40)가 하이드로젤을 이용하여 피부 접착시에는 정전용량 초단 증폭부를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 제2회로부(33)는 진동신호 처리부로서, 전류-전압 변환부, 필터부로 구성될 수 있는데, 전류-전압 변환부는 압전소자(12)에서 발생된 전류를 전압으로 변환하는 구성이며, 필터부는 측정된 진동신호에서 적절한 인체움직임 신호 대역을 검출하기 위한 구성이다. 예를 들어, 인체움직임 신호는 제2회로부(33)에서 측정된 신호를 대략 1 ~ 30 Hz 대역통과 필터를 거치도록 하면 검출이 가능하다. 이러한 필름형 생체신호 측정장치(10,40)에 대한 상세한 설명은 상기 실시 예들에서의 상세한 설명을 원용하기로 하며, 이하에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

심폐지구력 지표 추정부(210)는 필름형 생체신호 측정장치(10,40)로부터 측정된 심전도 신호와 진동 신호를 이용하여 심폐지구력을 측정하도록 구성되는데, 예를 들어 인체에 부하가 가해졌을 때 인체가 반응하는 정도를 나타내는 최대산소 섭취량(VO₂max)을 측정하도록 구성될 수 있다.

상세히, 심폐지구력 지표 추정부(210)는 소정의 측정기간 동안(예를 들어, 일상생활 중에) 제1회로부(32)에서 연속적으로 측정되는 심전도 신호로부터 단위시간마다 심박수를 산출하고, 제2회로부(33)에서 연속적으로 측정되는 진동 신호로부터 단위시간마다 운동량을 산출하고, 상기 산출된 심박수와 운동량 데이터 중 상기 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 데이터를 추출하고, 상기 추출된 심박수와 운동량 데이터를 이용하여 상기 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 사이의 단순회귀식(linear regression)을 검출하고, 상기 검출된 단순회귀식을 이용하여 최대활동에너지 소모량을 산출하고, 상기 산출된 최대활동에너지 소모량과 기 저장된 최대산소 섭취량 추정 회귀식을 이용하여 최대산소 섭취량을 계산할 수 있다.

이를 위해, 심폐지구력 지표 추정부(210)는 측정기간 동안 제1회로부(32)와 제2회로부(33)에서 연속적으로 측정되는 심전도 신호와 진동 신호를 저장하는 제1저장부, 상기 제1저장부에 저장된 심전도 신호로부터 단위시간마다(예를 들어, 1분마다) 심박수(heart rate)(beat/min)를 산출하는 심박수 산출부, 상기 저장부에 저장된 진동 신호로부터 단위시간마다(예를 들어, 1분마다) 운동량(J/min)을 산출하는 운동량 산출부, 상기 산출된 심박수와 운동량이 저장되는 제2저장부, 상기 제2저장부에 저장된 심박수와 운동량 데이터 중 상기 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 데이터를 추출하는 추출부, 상기 추출된 심박수와 운동량 데이터를 이용하여 상기 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 사이의 단순회귀식을 검출하는 검출부, 상기 검출된 단순회귀식을 이용하여 최대활동에너지 소모량을 산출하는 최대운동량 산출부, 상기 최대활동에너지 소모량과 기 저장된 최대산소 섭취량 추정 회귀식을 이용하여 최대산소 섭취량을 계산하는 최대산소 섭취량 계산부를 포함할 수 있다.

여기서, 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 데이터만을 추출하여 단순회귀식을 도출하는 이유는, 일반적인 최대산소 섭취량 측정방법이 인체가 운동하는 상황에서 인체가 반응(심박수 증가)하는 상황을 모니터링하여 분석하기 때문이며, 따라서 위와 같이 일상생활중에서도 심박이 증가하는 구간만을 추출하면 일반적인 최대산소 섭취량 측정법과 동일한 효과를 기대할 수 있기 때문이다.

도 12는 연속적으로 측정된 심전도 신호와 진동 신호로부터 1분마다 산출되어 저장된 심박수(Heart Rate, HR(BPM), beat/min)와 운동량(활동에너지 소모량(Activity Energy Expenditure), aEE(J/min))을 나타내는 도표이고, 도 13은 심박수가 증가하는 구간(도 12에서 음영으로 표시된 부분)에서의 심박수와 운동량 데이터만을 추출하여 단순회귀식을 검출하는 것을 나타내는 도표이다.

도 12 및 도 13에서 보이는 바와 같이, 연속적으로 측정된 심전도 신호와 진동신호로부터 1분마다 산출된 심박수와 운동량 데이터 중에서 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 데이터만을 추출하여 회귀식을 검출하면, 도 13에서 보이는 바와 같이 단순회귀식을 검출할 수 있다.

그리고, 이와 같이 검출된 단순회귀식에 피측정자의 나이에 따른 최대 심박수(일반적으로, 최대 심박수는 (220 - 나이) 식으로부터 산출할 수 있다)를 이용하면 피측정자의 최대활동에너지 소모량을 산출할 수 있으며, 이와 같이 산출된 최대활동에너지 소모량을 임상 시험을 통해 만들어진 기 설정된 최대산소 섭취량 추정 회귀식(VO₂max 추정식)에 대입하면, 피측정자의 최대산소 섭취량(VO₂max)을 측정할 수 있다.

한편, 심폐지구력 지표 추정부(210)는 최대산소 섭취량을 측정하는 것과 달리, 인체에 부하가 가해지다가 제거된 후 인체가 다시 원상태로 돌아오는 정도를 판단하는 항상성 유지 능력을 측정하도록 구성될 수도 있다. 이를 위해, 심폐지구력 지표 추정부(210)는 최대산소 섭취량을 측정하는 것과 반대로, 상기 산출된 심박수와 운동량 데이터 중 상기 심박수가 감소하는 구간에서의 심박수와 운동량 데이터를 추출하고, 상기 추출된 심박수와 운동량 데이터를 이용하여 상기 심박수가 감소하는 구간에서의 심박수와 운동량 사이의 단순회귀식을 검출하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 심박수가 감소하는 구간에서의 심박수와 운동량 사이의 회귀식을 검출하면, 인체에 부하가 가해지다가 제거된 후 인체가 다시 원상태로 돌아오는 정도인 항상성 유지 능력을 측정할 수 있다. 여기서, 항상성 유지 능력은 단순회귀식의 기울기 또는 다시 원상태로 돌아오는데 걸리는 시간 등으로 나타낼 수 있다.

본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템(200)는 심폐지구력 지표 추정부(210)에서 연산된 심폐지구력(예를들어 최대산소 섭취량)이 표시되는 표시부(230)와, 전원을 공급하는 전원부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템(200)는 필름형 생체신호 측정장치(10,40)를 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 시스템로서, 피부에 부착이 용이하게 필름형태로 매우 얇게 이루어지기 때문에 피부에 부착한 상태로 연속적으로 장소에 제한없이 심전도 신호와 진동신호를 측정할 수 있으며, 이와 같이 피부에 부착한 상태로 연속적으로 측정된 심전도 신호와 진동신호를 이용하면 일상생활 중에 쉽고 간판하게 최대산소 섭취량 등의 심폐지구력을 측정할 수 있다. 그러면, 지속적인 심폐지구력 측정 및 관리를 통해 개인의 신체활동 뿐만 아니라 신체건강를 관리할 수 있어서 개인의 건강 관리에 큰 도움을 줄 수 있으며, 나아가 의도적인 최대하부하운동을 통해 심폐지구력을 측정하지 않아도 되기 때문에 건강한 사람 뿐만 아니라 환자, 노인 등의 심폐지구력도 쉽고 안전하게 측정할 수 있게 된다.

도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 심폐지구력 측정시스템를 개략적으로 나타내는 구성도이다.

도 14를 참조하면, 본 실시 예에 따른 심폐지구력 측정시스템(250)는 필름형 생체신호 측정장치(10,40)와 심폐지구력 지표 추정부(210)가 별도로 구비된 형태로 이루어질 수 있다. 예를들어, 필름형 생체신호 측정장치(10,40)에 심폐지구력 지표 추정부(210)를 구비시키지 않고, 다른 기구장치 예를들어 휴대가능한 별도의 기구 또는 피측정자가 휴대하고 다니는 스마트폰에 심폐지구력 지표 추정부(210)를 구비시킬 수도 있다.

본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템는 필름형 생체신호 측정장치(10,40)를 이용하여 심폐지구력을 측정하는 장치로서, 피부에 부착이 용이하게 필름형태로 매우 얇게 이루어지는데, 위와 같이 심폐지구력 지표 추정부(210)를 필름형 생체신호 측정장치(10,40) 외의 별도의 기기에 구비시키면, 그만큼 필름형 생체신호 측정장치(10,40)의 두께가 더욱 얇게 이루어질 수 있기 때문에, 피부 부착이 더욱 용이해질 수 있게 된다.

이 경우 필름형 생체신호 측정장치(10,40)는 제1회로부(32)와 제2회로부(33) 각각에서 측정된 심전도 신호와 진동 신호를 심폐지구력 지표 추정부(210)로 전송하는 전송부(240)를 더 포함할 수 있으며, 심폐지구력 지표 추정부(210)는 전송부(240)에서 전송된 심전도 신호와 진동 신호를 이용하여 심폐지구력을 측정하도록 구비될 수 있다. 전송부(240)는 유선, 무선 또는 유무선의 형태로도 구성될 수 있다.

한편, 상기 실시예들에서는 운동량 추정을 위한 인체움직임 신호 측정이 제2회로부(33)에 의한 압전소자(12,42)의 진동신호 측정을 통해 이루어졌지만, 본 발명은 그에 한정하지 않으며, 본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템는 가속도센서를 이용하여 인체움직임 신호를 측정하도록 구성되거나 또는 추가적으로 가속도센서를 더 포함할 수도 있다. 이에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 15는 압전소자의 진동 신호을 이용하는 것 없이 가속도센서만을 이용하여 인체움직임 신호를 측정하는 심폐지구력 측정시스템의 일실시 예를 개략적으로 나타내는 구성도이다.

도 15를 참조하면, 본 실시 예에 따른 심폐지구력 측정시스템(270)는 필름형태의 기판(281), 기판(281)의 부착면에 서로 전기적으로 연결되지 않도록 형성된 적어도 2개 이상의 금속박막전극(282), 기판(281)의 반대면에 형성되어 상기 적어도 2개 이상의 금속박막전극(282)으로부터 심전도 신호를 측정하는 제1회로부(283), 기판(281)의 반대면에 형성되는 가속도 센서(284)를 포함하는 생체신호 측정장치(280)와, 제1회로부(283)에서 측정된 심전도 신호로부터 심박수를 산출하고, 가속도 센서(284)로부터 측정된 인체 움직임 신호로부터 운동량을 산출하고, 상기 산출된 심박수와 운동량을 이용하여 심폐지구력을 측정하는 심폐지구력 지표 추정부(210)를 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 실시 예에 따른 심폐지구력 측정시스템(270)는 상기 실시예들에서 압전소자(12,42)의 진동신호를 이용하는 것 대신에 가속도 센서(284)를 이용하여 인체움직임 신호를 측정하는 것만이 상이하며, 따라서 기타 다른 구성에 대한 상세한 설명은 상기 실시 예들에서의 상세한 설명을 원용한다.

또한, 상술한 바와 같이 본 실시 예에 따른 심폐지구력 측정시스템(270)는 가속도 센서(284)가 기판(281)의 반대면에 형성될 수도 있지만, 본 발명은 그에 한정하지 않으며, 생체신호 측정장치(280) 외의 별도 위치에 복수개 구비될 수도 있다.

도 16은 압전소자의 진동 신호을 이용하는 것 외에 추가적으로 가속도센서가 더 구비되는 심폐지구력 측정시스템의 일실시 예를 개략적으로 나타내는 구성도이다.

도 16을 참조하면, 본 실시 예에 따른 심폐지구력 측정시스템(290)는 생체신호 측정장치(10,40) 외에 인체움직임 신호를 측정할 수 있는 가속도센서(284)를 더 포함한다. 가속도센서(284)는 생체신호 측정장치(10,40)에 직접 구비될 수도 있으며, 생체신호 측정장치(10,40)와 별도로 팔, 다리 등과 같은 특정부위에 복수개가 구비될 수도 있다. 이 경우, 심폐지구력 지표 추정부(210)는 제2회로부(33)에서 측정된 진동신호와 함께 가속도센서(284)에서 측정된 인체움직임 신호를 복합적으로 이용하여 운동량을 산출할 수 있다.

가속도센서(284)는 인체의 움직임에 의한 가속도를 직접적으로 측정하기 때문에 인체움직임 신호 측정이 용이하지만, 피측정자가 자동차, 엘리베이터 등과 같이 외력에 의해 움직이는 경우에도 마치 피측정자의 운동에 의한 움직임인 것으로 측정하게 되는 문제가 발생할 수 있는 반면, 필름형 생체신호 측정장치(10,40)의 제2회로부(33)에 의한 압전소자(12,42)의 진동신호 측정은 직접 인체의 피부에 부착된 상태에서 이루어지기 때문에 피측정자의 외력에 의한 움직임을 피측정자의 운동에 의한 움직임으로 측정하게 될 염려가 없다. 따라서 본 실시 예에서와 같이 운동량을 산출하기 위한 인체움직임 신호를 가속도센서(284)에서 측정된 신호와 함께 제2회로부(33)에 의해 측정된 진동신호를 복합적으로 이용하게 되면, 상기와 같은 문제를 방지할 수 있어서 정확한 인체움직임 신호를 측정할 수 있으며, 따라서 심폐지구력 측정시 이용되는 운동량 추정의 정확성을 향상시킬 수 있게 된다.

예를 들어, 심폐지구력 지표 추정부(210)는 제2회로부(33)와 가속도센서(284) 각각에서 측정된 신호 모두를 이용하여 운동량을 산출하도록 구성될 수도 있으며, 또는 제2회로부(33)와 가속도센서(284) 각각에서 측정된 신호로부터 각각 운동량을 산출하고, 산출된 2개의 운동량의 평균값을 실제 운동량으로 산출하도록 구성될 수도 있다. 바람직하게는, 심폐지구력 지표 추정부(210)는 가속도센서(284)에서 측정된 신호로부터 산출된 운동량을 실제 운동량으로 산출하고, 제2회로부(33)에서 측정된 진동신호는 가속도센서(284)에서 측정된 신호가 실제로 피측정자의 운동에 의해 발생한 신호인지를 판단하기 위한 데이터로 이용할 수도 있다. 예를들어, 가속도센서(284)에서 측정된 신호를 이용하여 산출된 운동량과 제2회로부(33)에서 측정된 신호를 이용하여 산출된 운동량을 비교하여 상기 산출된 2개의 운동량의 차이가 오차범위 내인 경우에는 가속도센서(284)에서 측정된 신호를 이용하여 산출된 운동량을 실제 운동량으로 산출하고, 상기 산출된 2개의 운동량의 차이가 오차범위 이상으로 매우 크게 발생하는 경우에는 피측정자가 외력에 의해 움직인 것으로 판단하여 그 측정값을 제외시키거나 또는 제2회로부(33)에서 측정된 진동신호를 이용하여 산출된 운동량을 실제 운동량으로 산출하도록 구성될 수 있다. 그러면, 외력에 의한 움직임인 경우에 발생하는 가속도센서(284)의 측정에러를 방지할 수 있게 된다.

다른 실시 예로 본 발명에 따른 심폐지구력 측정시스템(200,250,270,290)는 필름형 생체신호 측정장치(10,40,280)에서 직접 심박수와 운동량을 산출하도록 구비될 수도 있다. 이를 위해, 제1회로부(32)는 연속적으로 측정되는 심전도 신호로부터 단위시간마다 심박수를 산출하도록 구성될 수 있으며, 제2회로부(32)는 연속적으로 측정되는 진동 신호로부터 단위시간마다 운동량을 산출하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 심폐지구력 지표 추정부(210)는 제1회로부(32)에서 단위시간마다 산출된 심박수와 제2회로부(33)에서 단위시간마다 산출된 운동량을 이용하여 심폐지구력 지표를 추정할 수 있다. 제1회로부(32)의 심박수 산출은 연속적으로 측정되는 심전도 신호로부터 단위시간마다 피크점(R피크)의 횟수를 산출하도록 회로구성함으로써 가능해질 수 있으며, 제2회로부(33)의 운동량 산출은 연속적으로 측정되는 진동 신호로부터 운동량을 산출하도록 회로구성함으로써 가능해질 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 필름형 생체신호 측정장치(10,40)를 이용한 심폐지구력 측정방법의 실시 예에 대하여 상세히 설명한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 필름형 생체신호 측정장치(10,40,280)를 이용하여 심폐지구력을 측정하게 되면, 필름형태로 피부 부착이 용이하기 때문에 연속적으로 장소의 제한없이 동시에 심전도 신호와 인체움직임 신호를 측정할 수 있으며, 따라서 피측정자의 심폐지구력을 일상생활 중에 장소에 제한없이 쉽게 측정할 수 있다.

먼저, 본 발명에 따른 심폐지구력 측정방법은 소정의 측정기간 동안 필름형 생체신호 측정장치(10,40)를 피측정자의 피부에 부착한 상태로 일상생활을 한다.

그러면, 일상생활 중에 동시에 연속적으로 심전도 신호와 인체움직임 신호가 측정되어 저장된다. 여기서, 상기 인체움직임 신호는 제2회로부(33)에서 측정된 진동신호이거나, 또는 가속도센서(284)에서 측정된 신호이거나, 또는 제2회로부(33)에서 측정된 진동신호와 가속도센서(284)에서 측정된 신호 모두일 수도 있으며, 본 발명은 그에 한정하지 않는다.

이후, 상기 저장된 심전도 신호로부터 1분마다(단위시간마다) 심박수(beat/min)를 산출하여 저장하고, 상기 저장된 인체움직임 신호로부터 1분마다 운동량(J/min)을 산출하여 저장한다. 여기서 심박수는 심전도 신호를 분석하여 R피크간의 시간간격을 계산하여 분당 심박수(beat per minute)를 계산함으로써 산출되거나 분당 R피크 횟수를 계산함으로써 산출될 수도 있다. 운동량은 인체움직임 신호와 피측정자의 체중을 이용하여 산출될 수 있다.

이후, 측정시간 동안 산출되어 저장된 심박수와 운동량 데이터 중 상기 심박수가 연속적으로 증가하는 구간(ex. 최소 2분간 증가)에서의 심박수와 운동량 데이터만 추출한다.

이후, 추출된 심박수와 운동량 데이터를 이용하여 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 사이의 단순회귀식을 검출한다.

이후, 상기 검출된 단순회귀식을 이용하여 개인별 나이에 따른 최대 심박수(일반적으로 (220-나이) 식으로부터 구할 수 있다)를 이용하여 추정되는 피측정자의 최대활동에너지 소모량을 산출한다.

이후, 상기 산출된 최대활동에너지 소모량과 인체 치수를 이용하여 선행 연구로부터 확립된 관계식(최대산소 섭취량 추정 회귀식)을 이용하여 피측정자의 최대 산소 섭취량을 계산할 수 있다.

최대산소 섭취량 추정 회귀식의 일예는 다음과 같다.

VO₂max =0.103*aEEmax-31.952*height+92.532

여기서, VO₂max는 최대산소 섭취량, aEEmax는 최대활동에너지 소모량, height는 피측정자의 키를 나타내며, 상기 식에서의 계수와 인체 치수 파라미터는 변경될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 심폐지구력 측정방법은 측정기간 동안 저장된 심박수와 운동량 데이터 중 상기 심박수가 감소하는 구간에서의 심박수와 운동량 데이터만을 추출하고, 상기 추출된 심박수와 운동량 사이의 단순회귀식을 검출함으로써, 인체에 부하가 가해지다가 제거된 후 인체가 다시 원상태로 돌아오는 정도를 판단하는 항상성 유지 능력을 측정할 수도 있다. 여기서, 항상성 유지 능력은 단순회귀식의 기울기 또는 다시 원상태로 돌아오는데 걸리는 시간 등으로 나타낼 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 필름형태로 이루어져 피측정자 피부에 부착이 용이하며 심전도 신호와 진동 신호를 동시에 측정이 가능한 필름형 생체신호 측정장치를 이용하여 일상생활 중에 매우 간편하게 심폐지구력 지표를 추정할 수 있는 새로운 형태의 심폐지구력 측정시스템 및 측정방법에 관한 것으로서, 그 실시 형태는 다양한 형태로 변경가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명은 본 명세서에서 개시된 실시 예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 변경 가능한 모든 형태도 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.

10,40,280 : 필름형 생체신호 측정장치 12,42 : 압전소자
21,23,25 : 제1금속박막전극들 31 : 제2금속박막전극
32 : 제1회로부 33 : 제2회로부
34 : 제3금속박막전극 50 : 기판
200,250,270,290 : 심폐지구력 측정시스템
210 : 심폐지구력 지표 추정부

Claims (15)

1. 필름형태의 압전소자, 상기 압전소자에 형성되는 다수의 금속박막전극, 상기 다수의 금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 심전도 신호를 측정하는 제1회로부 및 상기 다수의 금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 진동 신호를 측정하는 제2회로부를 포함하는 필름형 생체신호 측정장치; 및
   상기 제1회로부에서 측정된 심전도 신호와 상기 제2회로부에서 측정된 진동 신호를 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 심폐지구력 지표 추정부;를 포함하는 심폐지구력 측정시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 금속박막전극은 상기 압전소자의 부착면에 서로 전기적으로 연결되지 않도록 형성되는 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극과, 상기 압전소자의 반대면에 형성되는 제2금속박막전극을 포함하고,
   상기 제1회로부는 상기 제1금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극과 전기적으로 연결되도록 상기 압전소자의 반대면에 형성되고,
   상기 제2회로부는 상기 제1금속박막전극 중 적어도 어느 하나의 제1금속박막전극과 상기 제2금속박막전극에 전기적으로 연결되도록 상기 압전소자의 반대면에 형성되는 것을 특징으로 하는 심폐지구력 측정시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 금속박막전극은 상기 압전소자의 부착면에 서로 전기적으로 연결되지 않도록 형성되는 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극과, 상기 압전소자의 반대면에 형성되는 제2금속박막전극을 포함하고,
   상기 필름형 생체신호 측정장치는 접착면이 상기 압전소자의 반대면에 접착결합되는 필름형 기판을 더 포함하고,
   상기 필름형 기판의 형성면에는 상기 제1금속박막전극들 중 적어도 어느 하나의 제1금속박막전극과 전기적으로 연결되는 제3금속박막전극이 형성되고,
   상기 제1회로부는 상기 제1금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 제1금속박막전극과 전기적으로 연결되도록 상기 필름형 기판의 형성면에 형성되고,
   상기 제2회로부는 상기 제2금속박막전극과 상기 제3금속박막전극에 전기적으로 연결되도록 상기 필름형 기판의 형성면에 형성되는 것을 특징으로 하는 심폐지구력 측정시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 금속박막전극은 상기 압전소자의 부착면에 서로 전기적으로 연결되지 않도록 형성되는 적어도 3개 이상의 제1금속박막전극과, 상기 압전소자의 반대면에 형성되는 제2금속박막전극을 포함하고,
   상기 필름형 생체신호 측정장치는 접착면이 상기 압전소자의 반대면에 접착결합되는 필름형 기판을 더 포함하고,
   상기 필름형 기판의 형성면에는 상기 제1금속박막전극 중 어느 하나의 제1금속박막전극과 전기적으로 연결되는 제3금속박막전극이 형성되고,
   상기 제1회로부는 상기 어느 하나의 제1금속박막전극을 제외한 나머지 제1금속박막전극과 전기적으로 연결되도록 상기 필름형 기판의 형성면에 형성되고,
   상기 제2회로부는 상기 제2금속박막전극과 상기 제3금속박막전극에 전기적으로 연결되도록 상기 필름형 기판의 형성면에 형성되는 것을 특징으로 하는 심폐지구력 측정시스템.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제1회로부는 상기 제3금속박막전극과 전기적으로 연결되어 상기 어느 하나의 제1금속박막전극을 기준전극으로 하여 상기 나머지 제1금속박막전극 사이의 전위차를 측정하여 상기 심전도 신호를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 심폐지구력 측정시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 심폐지구력 지표 추정부는, 상기 측정된 심전도 신호로부터 단위시간마다 심박수를 산출하고, 상기 측정된 진동 신호로부터 단위시간마다 운동량을 산출하고, 상기 산출된 심박수와 운동량 데이터 중 상기 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 데이터를 추출하고, 상기 추출된 심박수와 운동량 데이터를 이용하여 상기 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 사이의 단순회귀식을 검출하고, 상기 검출된 단순회귀식을 이용하여 최대활동에너지 소모량을 산출하고, 상기 산출된 최대활동에너지 소모량과 기 저장된 최대산소 섭취량 추정 회귀식을 이용하여 최대산소 섭취량(VO₂max)을 계산하는 것을 특징으로 하는 심폐지구력 측정시스템.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 심폐지구력 지표 추정부는, 상기 측정된 심전도 신호로부터 단위시간마다 심박수를 산출하고, 상기 측정된 진동 신호로부터 단위시간마다 운동량을 산출하고, 상기 산출된 심박수와 운동량 데이터 중 상기 심박수가 감소하는 구간에서의 심박수와 운동량 데이터를 추출하고, 상기 추출된 심박수와 운동량 데이터를 이용하여 상기 심박수가 감소하는 구간에서의 심박수와 운동량 사이의 단순회귀식을 검출하고, 상기 검출된 단순회귀식을 이용하여 항상성 유지 능력을 추정하는 것을 특징으로 하는 심폐지구력 측정시스템.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 심폐지구력 측정시스템는 가속도센서를 더 포함하고,
   상기 심폐지구력 지표 추정부는 상기 제2회로부에서 측정된 진동신호와 함께 상기 가속도센서에서 측정된 신호를 이용하여 운동량을 산출하는 것을 특징으로 하는 심폐지구력 측정시스템.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 필름형 생체신호 측정장치는 상기 제1회로부와 상기 제2회로부 각각에서 측정된 심전도 신호와 진동 신호를 상기 심폐지구력 지표 추정부로 전송하는 전송부를 더 포함하고,
   상기 심폐지구력 지표 추정부는 상기 전송부에서 전송된 심전도 신호와 진동 신호를 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 것을 특징으로 하는 심폐지구력 측정시스템.
10. 필름형태의 압전소자(Piezoelectric material), 상기 압전소자에 형성되는 다수의 금속박막전극, 상기 다수의 금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 심전도(ECG, electrocardiogram) 신호를 측정하는 제1회로부 및 상기 다수의 금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 진동(vibration) 신호를 측정하는 제2회로부를 포함하는 필름형 생체신호 측정장치;
    가속도센서; 및
    상기 제1회로부에서 측정된 심전도 신호, 상기 제2회로부에서 측정된 진동 신호 및 상기 가속도센서에서 측정된 신호를 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 심폐지구력 지표 추정부;를 포함하는 심폐지구력 측정시스템.
11. 필름형태의 압전소자를 이용하여 심전도 신호와 진동 신호를 동시에 측정하는 필름형 생체신호 측정장치; 및
    상기 필름형 생체신호 측정장치에서 동시에 측정된 심전도 신호와 진동 신호를 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 심폐지구력 지표 추정부;를 포함하는 심폐지구력 측정시스템.
12. 필름형태의 기판, 상기 기판의 부착면에 서로 전기적으로 연결되지 않도록 형성된 적어도 2개 이상의 금속박막전극, 상기 기판의 반대면에 형성되어 상기 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 심전도 신호를 측정하는 제1회로부를 포함하는 생체신호 측정장치;
    가속도센서; 및
    상기 제1회로부에서 측정된 심전도 신호와 상기 가속도센서로부터 측정된 신호를 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 심폐지구력 지표 추정부;를 포함하는 심폐지구력 측정시스템.
13. 필름형태의 압전소자, 상기 압전소자에 형성되는 다수의 금속박막전극, 상기 다수의 금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 심전도 신호를 측정하고 상기 측정된 심전도 신호로부터 단위시간당 심박수를 산출하는 제1회로부 및 상기 다수의 금속박막전극 중 적어도 2개 이상의 금속박막전극으로부터 진동 신호를 측정하고 상기 측정된 진동 신호로부터 단위시간당 운동량을 산출하는 제2회로부를 포함하는 필름형 생체신호 측정장치; 및
    상기 제1회로부에서 산출된 단위시간당 심박수와 상기 제2회로부에서 산출된 단위시간당 운동량을 이용하여 심폐지구력 지표를 추정하는 심폐지구력 지표 추정부;를 포함하는 심폐지구력 측정시스템.
14. 동시에 연속적으로 측정되는 심전도 신호와 인체움직임 신호를 이용하여 심폐지구력을 측정하는 심폐지구력 측정방법에 있어서,
    동시에 연속적으로 측정되는 심전도 신호와 인체움직임 신호 각각으로부터 단위시간마다 심박수와 운동량을 산출하여 저장하는 단계;
    상기 저장된 심박수와 운동량 데이터 중 상기 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 데이터를 추출하는 단계;
    상기 추출된 심박수와 운동량 데이터를 이용하여 상기 심박수가 증가하는 구간에서의 심박수와 운동량 사이의 회귀식을 검출하는 단계;
    상기 검출된 회귀식을 이용하여 최대활동에너지 소모량을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 최대활동에너지 소모량과 기 저장된 최대산소 섭취량 추정 회귀식을 이용하여 최대산소 섭취량(VO₂max)을 계산하는 단계;를 포함하는 심폐지구력 측정방법.
15. 동시에 연속적으로 측정되는 심전도 신호와 인체움직임 신호를 이용하여 심폐지구력을 측정하는 심폐지구력 측정방법에 있어서,
    동시에 연속적으로 측정되는 심전도 신호와 인체움직임 신호 각각으로부터 단위시간마다 심박수와 운동량을 산출하여 저장하는 단계;
    상기 저장된 심박수와 운동량 데이터 중 상기 심박수가 감소하는 구간에서의 심박수와 운동량 데이터를 추출하는 단계;
    상기 추출된 심박수와 운동량 데이터를 이용하여 상기 심박수가 감소하는 구간에서의 심박수와 운동량 사이의 회귀식을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 회귀식을 이용하여 항상성 유지 능력을 추정하는 단계;를 포함하는 심폐지구력 측정방법.
    

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