KR101526144B1 - 휴대용 자율신경계 반응 모니터링 장치 - Google Patents

휴대용 자율신경계 반응 모니터링 장치 Download PDF

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KR101526144B1
KR101526144B1 KR1020130164078A KR20130164078A KR101526144B1 KR 101526144 B1 KR101526144 B1 KR 101526144B1 KR 1020130164078 A KR1020130164078 A KR 1020130164078A KR 20130164078 A KR20130164078 A KR 20130164078A KR 101526144 B1 KR101526144 B1 KR 101526144B1
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Abstract

본 발명은 휴대용 자율신경계 반응 모니터링 장치에 관한 것으로, 본 발명의 자율신경계 반응 모니터링 장치는, 사용자의 신체에 부착되어 심전도를 검출하는 검출부(10)와; 상기 검출부(10)에서 검출된 신호를 수신하여 처리 및 출력하는 제어기(20)로 이루어지고, 상기 제어기(20)에는 상기 검출부(10)에서 검출된 신호를 수신하여 처리하는 연산부(21)와 제어버튼(22)이 구비되며, LCD 패널(30)이 연결 설치되고, 상기 연산부(21)는 상기 검출부(10)에서 검출된 상기 심전도를 버거 알고리즘에 의해 순간 심박수를 추정한 다음, 상기 순간 심박수를 리샘플링하고, 상기 리샘플링된 순간 심박수를 수학적 수단으로 변환하여 저주파(LF) 및 고주파(HF) 영역에서의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 각각 구한 후, 측정순간에서의 HF/LF값의 차이를 산출하여 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 사용자가 휴대하고 다니면서 자율신경계의 반응을 항시 모니터링 확인할 수 있기 때문에 자율신경계의 반응과 관련된 질병의 발생을 사전에 예방할 수 있다.

Description

휴대용 자율신경계 반응 모니터링 장치{Portable Stress Monitoring Device}
본 발명은 휴대용 자율신경계 반응 모니터링 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일상생활 중 사용자의 감성 및 스트레스 등에 의해 나타나는 생리적인 신호를 측정 및 분석하고, 이를 통해 자신의 자율신경계의 반응 정도를 육안으로 모니터링할 수 있도록 하는 휴대용 자율신경계 반응 모니터링 장치에 관한 것이다.
최근, 삶의 질이 높아짐에 따라 건강에 대한 관심이 크게 증가하고 있고, 이러한 이유로 사람의 건강상태를 측정하는 기기에 대한 관심도 증가하고 있다.
한편, 사람의 건강은 감성이나 스트레스에 의해 상당한 영향을 받는데, 특히 스트레스는 스트레스에 취약한 인간의 근골격계(긴장성 두통 등), 위장관계(과민성 대장증후군), 심혈관계(고혈압) 등에 직접적인 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다.
그러므로 신경성 위염이나 심혈관 질환 등을 가지는 사람은 일상생활을 영위하는 과정에서 스트레스 등을 받지 않는 것이 중요하고, 따라서 일상생활 중 받는 스트레스의 양을 항시 측정할 필요가 있는데, 이때 스트레스의 양은 개개인의 감성이나 심리상태 등에 따라 다르게 나타나기 때문에 사람의 신체로부터 스트레스의 양을 직접적으로 측정하는 것은 극히 곤란하며, 따라서 이러한 감성이나 스트레스를 받는지 여부를 알기 위해서는 스트레스와 직접 관련되어 반응하는 자율신경계의 반응을 모니터링할 필요가 있다.
사람이 자극 등에 의해 스트레스를 받는 경우 심리적 증상과 신체적 증상 등이 나타나는데, 그 중 신체적 증상으로서 심장의 박동이 빨라지거나 혈압이 높아지는 등의 생리적 현상이 나타나게 되며, 이러한 생리적 현상은 중추신경계 및 자율신경계로부터의 생리적인 신호, 예를 들면 뇌파, 혈압, GSR(Galvanic Skin Resistance) 및 심박변이도(HRV, Heart Rate Variability) 등으로 표출되기 때문에 이러한 생리 신호를 측정하게 되면 건강상태뿐만 아니라 자율신경계의 반응여부도 알 수 있게 된다.
이러한 이유로 인간의 감성이나 심리상태를 정량적으로 측정함으로써 사람의 건강상태 등을 파악하려는 연구가 시도되고 있는데, 이때 복잡한 중추신경계의 반응을 통한 생리 신호를 분석하는 것보다 상대적으로 단순한 자율신경계의 반응을 통한 생리 신호를 분석하는 방법이 선호되고 있으며, 그 하나의 예로서 공개특허공보 제2010-130108호에 개시된 심전도 신호 분석 방법 및 그를 이용한 심전도 장치를 들 수 있다.
상기 특허문헌에 개시된 심전도 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 심전도를 검출하여 연속된 소정 개수의 R파형을 측정하기 위한 심전도 검출수단(110)과, R 파형의 R피크를 중심으로 분류된 상승구간 및 하강구간에 대응되는 회귀선을 이용하여 해당 R피크의 보정값을 계산하고, 상기 보정값을 이용하여 심전도 신호를 분석하기 위한 심전도 보정 수단(120) 및 심전도 보정수단(120)을 통해 보정된 심전도 정보를 사용자에게 제공하는 심전도 정보제공부(130)로 이루어진다.
그러나 상기의 심전도 장치는 R피크의 시간좌표를 계산하여 오차가 보정된 RR 간격을 획득하고, 이러한 오차가 보정된 RR 간격을 획득함으로써 심박변이(HRV) 또는 PTT를 정확하게 추출할 수 있도록 한 것으로 자율신경계의 반응을 측정하는 데에 직접 적용하기가 곤란하고, 또한 휴대하기도 곤란하여 평상시 사용자의 건강상태를 관리하기 위한 목적으로 사용하기 어렵다.
최근 IT 기술의 비약적인 발전에 힘입어 병원에서 병을 진단하고 치료하던 기존의 의료서비스에서 더 나아가 환자(사용자)가 평상시에도 건강을 관리할 수 있도록, IT기술을 기반으로 한 다양한 형태의 의료서비스(장치 및 프로그램)가 개발되고 있는데, 그 하나의 예로서 등록특허공보 제498794호에 개시된 '생체상태 진단장치 및 제어장치'를 들 수 있다.
상기 특허문헌에 개시된 생체상태 진단장치는 도 2에 도시된 바와 같이 지정된 시간 기간에 걸쳐 상기 생체 상태의 지표를 측정하는 측정수단(measuring means)과; 현재 시각을 나타내는 시각 데이터를 제공하는 시계회로(time circuit)와; 및 상기 측정 수단에 의해 측정된 상기 지표와, 상기 지표 각각이 상기 측정 수단에 의해 측정될 때 상기 시계 회로에 의해 제공된 상기 시각 데이터에 기초하여 상기 생체 상태의 주기적 변동을 검출하고, 상기 주기적 변동을 고려하여 상기 생체 상태를 진단하는 진단수단(diagnosing means)으로 이루어진 것이다.
상기한 생체상태 진단장치는 손목시계 형태로 이루어져 있기 때문에 생체 상태의 주기적인 변동을 검출함으로써 사용자의 생체 상태를 지속적으로 검출할 수 있다는 장점은 있으나, 사람의 심장박동 주기는 일정하지 않기 때문에 위와 같이 생체 상태의 주기적 변동을 검출하더라도 이를 기초로 사람의 건강 상태를 정확하게 판정하기 어려우며, 더구나 이러한 생체상태 진단장치는 사람의 건강상태를 진단하기 위한 장치로 개발되어 있기 때문에 이러한 장치를 스트레스와 관련된 자율신경계의 반응을 측정하는 데에 직접 사용하기가 곤란하며, 따라서 일상생활 중의 자율신경계의 반응을 항상 모니터링할 수 있는 장치의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 IT 기술을 기반으로 한 종래의 건강상태 모니터링 장치가 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 사용자가 24시간 휴대하고 다니면서 자신의 자율신경계의 반응을 육안으로 확인할 수 있도록 하는 휴대용 자율신경계 반응 모니터링 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 자율신경계 반응 모니터링 장치를, 사용자의 신체에 부착되어 심전도를 검출하는 검출부와; 상기 검출부에서 검출된 신호를 수신하여 처리 및 출력하는 제어기로 이루어지고, 상기 제어기에는 상기 검출부에서 검출된 신호를 수신하여 처리하는 연산부와 제어버튼이 구비되며, LCD 패널이 연결 설치되고, 상기 연산부는 상기 검출부에서 검출된 상기 심전도를 버거 알고리즘에 의해 순간 심박수를 추정한 다음, 상기 순간 심박수를 리샘플링하고, 상기 리샘플링된 순간 심박수를 수학적 수단으로 변환하여 저주파(LF) 및 고주파(HF) 영역에서의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 각각 구한 후, 측정 순간에서의 HF/LF값의 차이를 산출하여 출력하도록 구성하는 것에 의해 달성된다.
이때 심전도는 500Hz 이상의 샘플링 속도로 기록된 심전도가 이용되는 것이 바람직하다.
또한 LCD 패널에는 현재 시각에서의 HF/LF값의 차이의 평균값과 현재 시각에 산출된 HF/LF값의 차이가 동시에 출력됨으로써 평균값 대비 현재의 값을 비교할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
그리고 HF/LF값의 차이를 이용하여 단위시간 동안의 평균값을 구하고, 구해진 단위시간당의 HF/LF값의 차이의 평균값과 측정 순간에서의 HF/LF값의 차이값의 차이가 임계값(TH) 보다 큰 경우 알람을 발생하도록 하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명은 사용자가 휴대하고 다니면서 자신의 자율신경계의 반응을 항상 확인할 수 있고, 따라서 자율신경계의 반응과 관련된 질병의 발생을 미리 예방할 수 있다.
또한 본 발명은 LCD 패널에 현재 시각에서의 HF/LF값의 차이의 평균값과 현재 시각에 산출된 HF/LF값의 차이 동시에 출력되기 때문에 이를 통해 측정 시각 현재 자신의 자율신경계의 이상 유무를 판단할 수 있는 동시에 신체의 건강상태를 체크할 수 있다.
이에 더하여 본 발명은 단위시간당의 HF/LF값의 차이의 평균값과 측정 순간에서의 HF/LF값의 차이값의 차이가 임계값 보다 큰 경우, 즉 자율신경계에 이상이 발생되었을 가능성이 높은 경우 알람이 발생되기 때문에 사용자는 자신의 건강 이상상태를 쉽게 알 수 있다.
도 1과 도 2는 종래의 생체상태 진단장치 및 제어장치의 예를 보인 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 휴대용 자율신경계 반응 모니터링 장치의 예를 보인 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 휴대용 자율신경계 반응 모니터링 장치를 사용하는 예를 보인 사용 상태도,
도 5는 P파, QRS파, T파의 3개의 파형으로 구성된 전형적인 심전도 파형을 나타낸 그래프,
도 6은 심전도와 시간영역을 대비한 예를 보인 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 통해 본 발명의 구성과 작용을 상세히 설명한다.
본 발명은 사용자가 휴대하고 다니면서 실시간으로 사용자의 심박변이도(HRV)를 측정하고, 그 결과를 이용하여 자율신경계 반응을 쉽게 확인할 수 있도록 하는 자율신경계 반응 모니터링 장치를 제공하고자 하는 것으로, 이를 위해 본 발명의 자율신경계 반응 모니터링 장치는 도 3에 도시된 바와 같이 검출부(10)와, 제어기(20) 및 이 제어기(20)와 연결된 LCD 패널(30)로 이루어지며, 제어기(20)에는 마이크로프로세서가 내장된 연산부(21)가 구비된다.
검출부(10)는 도 4에 도시된 바와 같이 사용자의 신체, 특히 가슴 부위에 부착되어 사용자의 심전도를 검출하여 후술하는 제어기(20)의 연산부(21)에 전송하는 구성으로서, 이를 위해 본 발명의 검출부(10)는 심장근육이 수축할 때마다 발생되는 전기적 신호를 검출하는 복수 개의 센서(11)와, 이들 센서(11)로부터 취득된 아날로그 신호(전기신호)를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터(12) 및 디지털 신호를 제어기(20)에 전달하는 케이블(도면부호 없음)을 포함한다.
이때 복수 개의 센서(11) 각각의 표면에는 사용자의 신체 표면에 신체에 쉽게 탈부착될 수 있도록 접착성분이 도포되거나 또는 별도의 접착테이프 등에 의해 사용자의 신체 표면에 부착된다.
검출부(10)에 의해 취득된 신호, 즉 심전도는 제어기(20)의 연산부(21)에 입력되는데, 이때 상기와 같은 검출부(10)에 의해 취득된 심전도는 심장의 전기적인 활동 모양을 그래프 형태로 기록한 것으로서, P파, QRS파, T파의 3개의 파형으로 구성되어 심장 내의 전기자극이 심장 전체에 전달되는 과정을 기록하고 있으며, 그 전형적인 파형은 도 5에 도시된 바와 같다.
그리고 심전도에서 계측되는 전위의 변화에 의해 심박의 변동을 측정할 수 있는데, 이때 심방의 운동이 동방결절로부터 시작되는 P파를 이용한 PP간격을 심박변동의 해석에 사용하는 것이 바람직하지만, P파는 전위가 작고, 잡음의 영향을 받기 쉽기 때문에 그 대신 R파를 검출하여 RR간격(RRI)의 시계열을 기록하는 것이 일반적이다.
심장은 좌우로 구분되고, 좌우는 각각 다시 상부의 심방, 하부의 심실로 구분되는데, 우심방에는 동결절이라 불리는 심장의 박동리듬을 결정하는 SA노드(동방결절)가 존재하며, 이 동결절이 주기적으로 자극을 발생시켜 자극전도계를 통해 심장이 1박동한다.
이 동결절은 자율신경에 의해 지배되며, 자율신경의 활동이 개입, 주파수 변동을 일으키는 변동이 발생한다. 운동 등으로 교감신경이 우위인 경우 동결절의 자극의 발생이 빠르게 되고, 수면시 등으로 부교감신경이 우위가 되면 지연되며, 이와 같은 요동을 심박변이(HRV, Heart Rate Variability)라 한다.
상기와 같은 심박변이(HRV)를 해석하여 자율신경의 활동을 추정할 수 있는데, 심박변이의 해석을 행할 때 동결절의 데이터 취득이 불가능하기 때문에 실제에 있어서는 심전도를 이용한다.
심전도에 있어서의 RR 간격은 측정노이즈, 근전도에 의한 노이즈, 전극의 움직임에 기인한 노이즈의 3가지 노이즈에 의해 주로 영향을 받으며, 이러한 노이즈들은 500Hz 이상의 샘플링 속도로 기록된 심전도로부터 R 피크를 검출하는 경우 더욱 정확한 RR 간격을 측정할 수 있으며, 이에 따라 본 발명에서는 500Hz 이상의 샘플링 속도로 기록된 심전도를 이용하는데, 이러한 샘플링 속도는 후술하는 제어기(20)에 구비된 제어버튼(22)에 의해 설정된다.
상기와 같은 샘플링 속도로 기록된 심전도가 획득되면 이를 이용하여 심박변이(HRV)를 구하여야 하는데, 이때 심박변이를 시간영역에서 취하면 순간 심박수의 시간적 변화가 되고, 따라서 후술하는 스펙트럼 해석을 행하기 위해서는 관측된 RR간격으로부터 각 시각에서의 순간 심박수를 추정하는 것이 필요하며, 이러한 순간 심박수를 추정하기 위한 방법으로서 버거(Berger) 알고리즘이 알려져 있다.
버거(Burger) 알고리즘은 Berger에 의해 제안된 것으로, m번째 사이클 상의 한 점의 HR을 hrm이라 하면, 이를 구하기 위해서는 m번째의 사이클 상의 점을 중심으로 한 국소창(window) 내에서의 심박수(hm)를 구하여야 한다.
국소창은 각 사이클 상의 한 점마다 전후의 사이클 상의 점에 둘러싸인 범위이고, 이 범위에 R파의 피크(peak)가 존재하는지 여부에 따라 심박수(hm)를 구하는 방법이 다르다. 만약 국소창 내에 R파 피크가 존재하는 경우에는 심박수(hm)를 아래의 수학식 1에 의해 구하고, 존재하지 않는 경우에는 아래의 수학식 2에 의해 심박수(hm)를 구하는데, 이는 도 6에 도시된 심전도와 시간영역을 대비하여 보면 쉽게 알 수 있다.
Figure 112013119017074-pat00001
여기서
Figure 112013119017074-pat00002
는
Figure 112013119017074-pat00003
번째 심전도 파형에 있어서의 심박수,
Figure 112013119017074-pat00004
및
Figure 112013119017074-pat00005
는 각각 국소창의 R파 피크 전후의 시간간격,
Figure 112013119017074-pat00006
및
Figure 112013119017074-pat00007
은 각각 샘플링 시간
Figure 112013119017074-pat00008
및
Figure 112013119017074-pat00009
에서의 R파 피크간의 시간간격이다.
Figure 112013119017074-pat00010
여기서
Figure 112013119017074-pat00011
는
Figure 112013119017074-pat00012
번째 심전도 파형에 있어서의 심박수,
Figure 112013119017074-pat00013
는 국소창의 시간간격,
Figure 112013119017074-pat00014
는 샘플링 시간
Figure 112013119017074-pat00015
에서의 R파 피크간의 시간간격이다. 이때 리샘플링 주파수(
Figure 112013119017074-pat00016
)는 스펙트럼에 있어서 HRV의 모든 주파수 정보는 후술하는 바와 같이 0.5Hz 내에 있기 때문에 이러한 주파수 정보를 충분히 획득할 수 있는 주파수로 리샘플링하여야 하는데, 이를 위해 리샘플링 주파수(
Figure 112013119017074-pat00017
)는 2Hz 또는 4Hz가 되는 것이 바람직하다.
구해진 국소창 내의 심박수(hm)와 최종적인 리샘플링 주파수(
Figure 112013119017074-pat00018
)로부터 아래의 수학식 3에 의해 샘플링 지점의 심박(HR)을 구할 수 있다.
Figure 112013119017074-pat00019
여기서
Figure 112013119017074-pat00020
은 샘플링 지점의 심박,
Figure 112013119017074-pat00021
은 국소창 내에서의 심박,
Figure 112013119017074-pat00022
은 리샘플링 주파수이다.
한편, 사람이 스트레스를 받는 경우 다른 생리적 매개 변수들은 여전히 "정상적" 허용 범위 내에 있으면서도 심박변이(HRV)는 이러한 신체 스트레스에 있어서의 변화를 반영할 수 있는데, 이러한 심장박동의 변화(심박변이)는 자율신경계를 이루는 교감신경과 부교감신경에 의해 제어되는데 따른 것으로 교감신경은 신체에 스트레스가 가해지는 경우에서와 같이 심박수를 증가시키고, 반면 부교감 신경은 식사시나 수면시에서와 같이 심박수를 감소시킨다.
따라서 심박변이를 분석하면 스트레스 등과 관련된 유의미한 정보를 얻을 수 있는데, 이러한 HRV 분석방법에는 시간 영역(time domain)을 통한 방법과 주파수 영역(frequency domain)을 통한 방법으로 대별될 수 있으며, 후술하는 바와 같이 스트레스와 관련된 정보를 획득하는 데에는 주파수 영역법이 유리하다.
주파수 영역법은 상기와 같은 심전도의 RR간격으로부터 HR을 버거 알고리즘에 구한 다음, 이를 적절한 샘플링 주파수로 리샘플링된 HR을 이산 푸리에 변환 등의 수학적 수단을 이용하여 변환함으로써 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 구하여 이들 스펙트럼 밀도에 나타난 정보로부터 신체의 건강 상태를 확인하는 방법으로서, 이때 전체 HRV 주파수 스펙트럼 내에서 심장활동의 형태가 초저주파(VLF: Very Low Frequency, 0.003~0.040 Hz), 저주파(LF: Low Frequency, 0.04~0.15 Hz) 및 고주파(HF: High Frequency, 0.15~0.4Hz)의 3개의 주파수 영역 내에서 관찰될 수 있기 때문에 이들 3개의 주파수 영역이 관심의 대상이 된다.
상기 3개의 주파수 영역에서의 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 중 초저주파 영역(VLF)에서의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)는 교감신경의 부가적인 정보를 나타내는 것으로, 이 VLF는 체온 조정계, 혈관운동, 호르몬 등 심폐 기능과 관련이 있으며, 폐쇄성 수면 장애, 가사 등의 호흡 곤란, 저산소 혈증의 무호흡 시에는 증가하게 된다.
그리고 저주파 영역(LF)에서의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)는 교감신경 활동의 지표로서 기능하며, 이러한 LF는 정신적 스트레스와 관련된 것으로, 생체 내 에너지 공급에 관해 교감신경 활동의 증감이 설명될 수 있으며, 피로한 상태에서는 저하되며, 생체 에너지의 손실을 잘 반영한다.
또한 고주파 영역(HF)에서의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)는 부교감 신경(미주 신경)의 활동지표로서 기능하며, 호흡활동에 관계하고, 호흡주기와 RSA와 관련하는 심박동에 관계가 깊으며, 호흡이 느리고 깊은 경우 증가하고, 수면장애 시에도 변화하는 특성을 가진다.
그리고 상기 3개 주파수 영역의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 한데 합친 전체전력 밀도(TP, Total Power)로서, 이러한 TP는 자율신경계의 전반적인 활성 정도와 자율신경계 조절 능력을 반영하며, 스트레스와 질병 상태에 있는 경우 자율신경계 조절 능력이 저하되기 때문에 TP도 감소하는 특성이 있다.
따라서 본 발명에서는 상기와 같은 과정에 의해 제어기(20)의 연산부(21)에서 VLF, LF, HF 및 TP가 구해지면, 연산부(21)는 다시 이들 데이터를 이용하여 자율신경계의 반응과 특히 관련된 HF, LF를 각각 산출한 다음, 아래의 수학식 4에서와 같이 전후에서의 HF/LF값의 차이를 구하여, 그 값을 출력하는 동시에 값의 변화를 그래프 형태로 출력한다.
Figure 112013119017074-pat00023
여기서
Figure 112013119017074-pat00024
는 HF/LF값의 차이이고,
Figure 112013119017074-pat00025
및
Figure 112013119017074-pat00026
는 각각 샘플링 시간
Figure 112013119017074-pat00027
및
Figure 112013119017074-pat00028
에서의 HF 및 LF간의 비율이다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이 자율신경계는 사람에 따라, 일상생활 중의 시간에 따라 또는 활동량 등에 따라 그 반응이 다르게 나타나므로 일상생활이 아닌 병원에서 진찰 중과 같은 상태에서의 자율신경계의 반응을 나타내는 상기의 수치 또는 그래프를 보여주는 것만으로는 자율신경계가 제대로 반응하고 있는지를 가늠할 수 없게 된다.
이에 따라 본 발명에서는 일상생활 중에 측정한 값에 의해 현재까지 산출된 VLF, LF, HF, HF/LF값의 평균값을 나타내는 그래프를 출력한다.
그리고 현재 시각에서의 VLF, LF, HF, HF/LF값의 평균값과 현재 시각에 산출된 VLF, LF, HF, HF/LF값도 동시에 출력하여 평균값 대비 현재의 값을 비교할 수 있도록 한다.
또한 상기와 같은 과정에 의해 순간마다의 HF/LF값의 차이가 구해지면, 이 순간마다의 HF/LF값의 차이를 설정된 단위시간 동안의 평균값을 구하고, 아래의 수학식 5에서와 같이, 이 구해진 단위시간당의 HF/LF값의 차이의 평균값과 측정 순간에서의 HF/LF값의 차이값의 차이가 사용자가 미리 설정한 임계값(TH, Threshold Value) 보다 큰 경우 알람을 발생하는 동시에 그 때의 사용자의 상태를 기록함으로써 사용자의 자율신경계의 이상 상태를 모니터링할 수 있도록 한다.
Figure 112013119017074-pat00029
여기서,
Figure 112013119017074-pat00030
는 단위시간당의 HF/LF값의 차이의 평균값,
Figure 112013119017074-pat00031
는 측정 순간에서의 HF/LF값의 차이값, TH는 사용자가 설정한 임계값이다.
이와 더불어 단위시간당의 평균값을 모두 합쳐 하루 동안의 값을 그래프로 나타내게 되면 사용자의 하루 동안의 HF/LF값의 차이의 변화곡선(envelope)이 되며, 이 그래프 위에 측정 순간에서의 HF/LF값의 차이값(
Figure 112013119017074-pat00032
)을 표시하게 되면 사용자의 현재의 건강 상태를 더욱 가시성 좋게 나타낼 수 있으며, 이는 사용자의 생체변화 정보로서 기능하게 된다.
상기와 같은 과정을 수학식을 사용하여 설명하면, 상기 수학식 4는 아래와 같이 수학식 6으로 표현될 수 있다.
Figure 112013119017074-pat00033
여기서
Figure 112013119017074-pat00034
은 샘플링 시간 k+1에서의 HF 및 LF간의 비율의 차이값이다.
그리고 샘플링 시간 간격을 T라고 하면 단위시간(t) 동안의 샘플링 개수는 아래의 수학식 7에서와 같이 n이 되고, 이때 예를 들면, 하루(24시간)는 R개의 단위시간으로 나눌 수 있으며, 따라서 m번째 주기에서의 단위시간에 대한 ΔHF/LF의 평균값은 아래의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013119017074-pat00035
여기서, t는 단위시간이고, T는 샘플링 시간간격이다.
Figure 112013119017074-pat00036
이때 단위시간(t)의 길이는 사용자의 건강상태에 따라 다르기 때문에 조정될 수 있다.
그리고 이와 더불어 아래의 수학식 9에서와 같이 단위시간당의 평균값을 모두 합쳐 하루 동안의 값(
Figure 112013119017074-pat00037
)을 그래프로 나타내면 사용자의 하루 동안의 HF/LF값 차이값의 평균에 대한 변화곡선(envelope)이 되고, 이 그래프 위에 측정 순간에 있어서의 HF/LF값의 차이값을 표시하게 되면 사용자의 현재의 건강 상태를 더욱 가시성 좋게 나타낼 수 있으며, 이러한 정보는 사용자의 생체변화 정보로서 기능하게 된다.
Figure 112013119017074-pat00038
그리고 제어기(20)에는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 사용자가 장치의 온오프, 샘플링 주파수, 측정날짜, 경보음 설정값 및 필요한 정보 등을 입력할 수 있도록 제어버튼(22)이 구비되고, 이러한 제어기(20)에는 사용자가 입력한 정보와 장치로부터 획득된 정보가 가시적으로 출력될 수 있도록 LCD 패널(30)이 연결 설치되고, 아울러 측정 시각을 확인하고, 또한 사용자가 측정 시간을 설정할 수 있도록 시계(clock)와 타이머가 구비된다.
이때 제어기(20)에는 연산부(21)로부터 획득된 정보와 전력 스펙트럼값 등을 저장할 수 있도록 메모리가 내장되며, 아울러 메모리에 저장된 정보를 외부를 출력하여 치료 등에 사용할 수 있도록 USB 단자가 구비되는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 사용자가 휴대하고 다니면서 심전도를 수시로 측정하고, 이 측정된 심전도로부터 도출된 심박변이도(HRV)를 이용하여 자율신경계의 반응과 관련된 정보를 정량화하여 출력되도록 함으로써 자율신경계의 반응과 관련된 질병의 발생을 사전에 예방할 수 있다.
10: 검출부 11: 센서
12: A/D컨버터 20: 제어기
21: 연산부 22: 제어버튼
30: LCD 패널

Claims (4)

  1. 사용자가 휴대하고 다니면서 자율신경계의 반응을 모니터링할 수 있도록 하는 휴대용 자율신경계 반응 모니터링 장치에 있어서,
    상기 모니터링 장치는, 사용자의 신체에 부착되어 심전도를 검출하는 검출부(10)와; 상기 검출부(10)에서 검출된 신호를 수신하여 처리 및 출력하는 제어기(20)로 이루어지고,
    상기 제어기(20)에는 상기 검출부(10)에서 검출된 신호를 수신하여 처리하는 연산부(21)와 제어버튼(22)이 구비되며, LCD 패널(30)이 연결 설치되고,
    상기 연산부(21)는 상기 검출부(10)에서 검출된 상기 심전도를 버거 알고리즘에 의해 순간 심박수를 추정한 다음, 상기 순간 심박수를 리샘플링하고, 상기 리샘플링된 순간 심박수를 수학적 수단으로 변환하여 저주파(LF) 및 고주파(HF) 영역에서의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 각각 구한 후, 측정 순간에서의 HF/LF값의 차이를 수학식 4를 이용하여 산출하여 출력하고,
    상기 HF/LF값의 차이를 이용하여 수학식 5를 통해 단위시간 동안의 평균값을 구하고, 구해진 상기 단위시간당의 HF/LF값의 차이의 평균값과 상기 측정 순간에서의 HF/LF값의 차이값의 차이가 임계값(TH) 보다 큰 경우 알람을 발생하며,
    상기 단위시간당의 평균값을 모두 합쳐 하루 동안의 값(
    Figure 112015000983426-pat00045
    )이 수학식 9를 통해 그래프로 출력됨과 동시에 이 그래프 위에 측정 순간에 있어서의 HF/LF값의 차이값이 동시에 출력됨으로써 평균값 대비 현재의 값을 비교할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 자율신경계 반응 모니터링 장치.

    [수학식 4]
    Figure 112015000983426-pat00046

    여기서
    Figure 112015000983426-pat00047
    는 HF/LF값의 차이이고,
    Figure 112015000983426-pat00048
    및
    Figure 112015000983426-pat00049
    는 각각 샘플링 시간
    Figure 112015000983426-pat00050
    및
    Figure 112015000983426-pat00051
    에서의 HF 및 LF간의 비율이다.
    [수학식 5]
    Figure 112015000983426-pat00052

    여기서,
    Figure 112015000983426-pat00053
    는 단위시간당의 HF/LF값의 차이의 평균값,
    Figure 112015000983426-pat00054
    는 측정 순간에서의 HF/LF값의 차이값, TH는 사용자가 설정한 임계값이다.
    [수학식 9]
    Figure 112015000983426-pat00055

    여기서,
    Figure 112015000983426-pat00056
    는 하루 동안의 값,
    Figure 112015000983426-pat00057
    은 m번째 주기에서의 단위시간에 대한 ΔHF/LF의 평균값이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 심전도는 500Hz 이상의 샘플링 속도로 기록된 심전도가 이용되는 것을 특징으로 하는 휴대용 자율신경계 반응 모니터링 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100493714B1 (ko) * 2004-11-26 2005-06-02 주식회사 메디코아 자율신경 검사장치
KR20100130108A (ko) * 2009-06-02 2010-12-10 충북대학교 산학협력단 심전도 신호 분석 방법 및 그를 이용한 심전도 장치

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