KR101571543B1 - 인체 통신을 이용한 맥파 속도 측정 장치 및 방법 - Google Patents

인체 통신을 이용한 맥파 속도 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

대상체의 제 1 부분에 부착되는 적어도 하나의 심전도 전극을 통해 대상체의 심전도 신호를 획득하는 심전도 모듈; 대상체의 제 2 부분에 부착되는 적어도 하나의 생체 임피던스 전극을 통해 대상체의 생체 임피던스 신호를 획득하고, 심전도 모듈로부터 대상체의 인체 통신을 통해 전송되는 심전도 신호를 수신하는 생체 임피던스 모듈; 및 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 이용하여 대상체의 맥파 속도를 측정하는 신호 처리부를 포함하고, 생체 임피던스 모듈은, 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 소정의 샘플링 주파수로 샘플링하여 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호로 변환된 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 신호 처리부로 전달하는 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치가 개시된다.

Description

인체 통신을 이용한 맥파 속도 측정 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING PULSE WAVE VELOCITY BY USING BODY COMMUNICATION}
본 발명은 대상체의 맥파 속도를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 인체 통신을 이용하여 대상체의 맥파 속도를 측정하는 맥파 속도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
IT와 의료 서비스가 결합하여 언제 어디서나 질병의 예방, 진단, 치료 등의 의료 서비스를 제공하는 U-Health는 전 세계적인 웰빙 열풍과 함께 높은 삶의 질을 추구하기 위한 관심이 고조되면서 그 수요와 시장이 점점 확대되고 있다.
U-Health는 IT와 의료 기술의 융합을 이용해 의료 서비스가 병원에서만 이루어진다는 공간적 제약을 넘어 가정, 학교, 사무실 등의 일상생활 속에서도 의료 서비스가 이루어질 수 있는 발판을 마련한 것이다. 또한, U-Health를 통해 노약자, 장애인, 소아 등은 일상생활 속에서 유무선의 다양한 통신망으로 건강상태에 대한 주기적인 점검이 가능해질 것이며, 사전 예방을 통해 높은 수준의 건강을 유지할 수 있을 것이다. 아울러 의료 제공 기관도 가정에 있는 환자의 상태를 언제든 살필 수 있게 됨으로써 의료 서비스의 질을 향상시킬 수 있을 것이다.
U-Health를 바탕으로 한 의료 분야에서 특히 중요한 지표가 되는 것은 사람의 신진 대사를 나타내는 바이탈 사인(vital-sign)이다. 바이탈 사인을 지속적으로 관찰하면 몸의 상태를 파악하여 여러 질병을 미리 예방하고 또한 위급 상황을 피할 수도 있다.
고도로 산업화된 국가들에서는 심근경색증, 동맥경화증, 고혈압 등과 같은 심혈관계 질환 (Cardiovascular disorders)이 많이 발생하며, 이는 주요한 사망 원인 중의 하나이다. 이러한 심혈관계 질환으로 인한 갑작스러운 죽음을 방지하기 위해 심혈관계 질환과 높은 상관도를 갖는 맥파 속도(Pulse wave velocity, PWV)를 지속적으로 측정하는 것이 중요하다.
맥파 속도를 측정하는 종래 기술들은 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 첫 번째 기술은 도플러 초음파 장치(Doppler ultrasound device)를 이용하여 맥파 속도를 측정하는 기술로서, 상기 도플러 초음파 장치는 고가이고 주변 환경의 간섭에 대하여 노이즈가 크다는 단점을 갖는다.
두 번째 기술은 심전도(Electrocardiogram, ECG)와 광혈류 측정 (Photoplethysmography, PPG)을 이용한 기술로서, 일반적으로 널리 사용되고 있는 기술이나, 맥파를 측정하는 광혈류 측정 센서(PPG sensor)가 고가이며 광혈류 측정 센서로 인해 집적화가 불가능하다는 단점을 갖는다.
마지막으로, 세 번째 기술은 압력 센서를 이용하는 기술로서, 피검사자에 대해 침습적이기 때문에 사용자에게 고통과 불편함을 준다는 단점을 갖는다.
따라서, 비용이 저렴하고 주변 환경에 따른 노이즈의 발생이 적고 집적화가 가능하며 피검사자에 대해 비침습적인 방법이 필요하게 되었다.
이러한 요구에 반영하여, 특허번호 제10-1056016호는 사람의 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 이용하여 사람의 맥파 전달 속도를 측정하는 방법에 대해 개시하고 있는데, 상기 특허는 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 데이터 처리 모듈로 수집하기 위해 심전도 모듈과 생체 임피던스 모듈 각각을 데이터 처리 모듈에 전선으로 연결시켜야 하였다. 그러나, 심전도 모듈과 데이터 처리 모듈을 연결하는 전선과, 생체 임피던스 모듈과 데이터 처리 모듈을 연결하는 전선은 사용자에게 큰 불편이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치 및 방법은 인체 통신을 이용함으로써, 대상체에게 불편이 될 수 있는 전선을 필요로 하지 않는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치 및 방법은 집적화된 저전력의 초소형 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치 및 방법은 심전도 신호와 생체 임피던스 신호의 샘플링 레이트를 효과적으로 동기화시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치는,
대상체의 제 1 부분에 부착되는 적어도 하나의 심전도 전극을 통해 상기 대상체의 심전도 신호를 획득하는 심전도 모듈; 상기 대상체의 제 2 부분에 부착되는 적어도 하나의 생체 임피던스 전극을 통해 상기 대상체의 생체 임피던스 신호를 획득하고, 상기 심전도 모듈로부터 상기 대상체의 인체 통신을 통해 전송되는 상기 심전도 신호를 수신하는 생체 임피던스 모듈; 및 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 이용하여 상기 대상체의 맥파 속도를 측정하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 생체 임피던스 모듈은, 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 소정의 샘플링 주파수로 샘플링하여 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호로 변환된 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 상기 신호 처리부로 전달하는 변환부를 포함할 수 있다.
상기 심전도 모듈은, 상기 대상체의 심전도 신호를 변조하는 변조부; 및 상기 변조된 심전도 신호를 상기 생체 임피던스 모듈로 전송하는 송신 전극을 포함할 수 있다.
상기 생체 임피던스 모듈은, 상기 변조된 심전도 신호를 수신하는 수신 전극을 포함하고, 상기 변환부는, 상기 생체 임피던스 신호를 상기 소정의 샘플링 주파수로 샘플링하여 상기 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터; 및 상기 수신 전극이 수신한 상기 변조된 심전도 신호를 상기 소정의 샘플링 주파수로 복조하여, 디지털 신호로 복조된 심전도 신호를 생성하는 복조부를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 생체 임피던스 전극은, 제 1 전극, 제 2 전극, 제 3 전극 및 제 4 전극을 포함하되, 상기 생체 임피던스 모듈은, 상기 제 1 전극과 상기 제 4 전극을 통해 상기 대상체로 측정 전류를 흘리는 전류원; 및 상기 제 2 전극과 상기 제 3 전극에 연결되어, 상기 측정 전류에 의해 발생되는 전위차를 상기 생체 임피던스 신호로 획득하는 전압계를 포함할 수 있다.
상기 생체 임피던스 모듈은, 소정 주파수의 발진 신호를 생성하는 오실레이터를 포함하되, 상기 변환부는, 상기 발진 신호의 소정 주파수를 상기 소정의 샘플링 주파수로 하여 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 샘플링할 수 있다.
상기 신호 처리부는, 상기 심전도 신호의 R 피크 값과 상기 생체 임피던스 신호의 극 값 사이의 시간 간격인 맥파 전달 시간을 이용하여 상기 대상체의 맥파 속도를 획득하되, 상기 심전도 신호의 R 피크 값은 상기 심전도 신호에서 나타나는 복수의 극 값 중 세 번째 극 값에 대응하고, 상기 생체 임피던스 신호의 극 값은 상기 생체 임피던스 신호의 최대값에 대응할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치는,
대상체의 제 1 부분에 부착되는 적어도 하나의 생체 임피던스 전극을 통해 상기 대상체의 생체 임피던스 신호를 획득하는 생체 임피던스 모듈; 상기 대상체의 제 2 부분에 부착되는 적어도 하나의 심전도 전극을 통해 상기 대상체의 심전도 신호를 획득하고, 상기 생체 임피던스 모듈로부터 상기 대상체의 인체 통신을 통해 전송되는 상기 생체 임피던스 신호를 수신하는 심전도 모듈; 및 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 이용하여 상기 대상체의 맥파 속도를 측정하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 심전도 모듈은, 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 소정의 샘플링 주파수로 샘플링하여 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호로 변환된 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 상기 신호 처리부로 전달하는 변환부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 방법은,
심전도 모듈 및 생체 임피던스 모듈을 포함하는 맥파 속도 측정 장치에 의한 맥파 속도 측정 방법에 있어서, 상기 대상체의 제 1 부분에 부착되는 적어도 하나의 심전도 전극을 통해 상기 대상체의 심전도 신호를 상기 심전도 모듈에서 획득하는 단계; 상기 대상체의 제 2 부분에 부착되는 적어도 하나의 생체 임피던스 전극을 통해 상기 대상체의 생체 임피던스 신호를 상기 생체 임피던스 모듈에서 획득하는 단계; 상기 대상체의 인체 통신을 이용하여 상기 심전도 신호를 심전도 모듈로부터 상기 생체 임피던스 모듈로 전송하는 단계; 상기 생체 임피던스 모듈에서 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 소정의 샘플링 주파수로 샘플링함으로써 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계; 및 상기 디지털 신호로 변환된 심전도 신호와 상기 디지털 신호로 변환된 생체 임피던스 신호에 기초하여 상기 대상체의 맥파 속도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 키보드 받침대는,
대상체의 맥파 속도를 측정하는 키보드 받침대에 있어서, 상기 대상체의 팔을 지지하는 본체부; 상기 팔의 제 1 부분에 부착되도록 상기 본체부의 상면에서 서로 간에 소정 거리 이격되어 위치되는 제 1 심전도 전극과 제 2 심전도 전극; 상기 제 1 심전도 전극과 상기 제 2 심전도 전극을 통해 상기 대상체의 심전도 신호를 획득하는 심전도 모듈; 상기 팔의 제 2 부분에 부착되도록 상기 본체부의 상면에 위치되는 적어도 하나의 생체 임피던스 전극; 상기 적어도 하나의 생체 임피던스 전극을 통해 상기 대상체의 생체 임피던스 신호를 획득하고, 상기 심전도 모듈로부터 상기 대상체의 인체 통신을 통해 전송되는 상기 심전도 신호를 수신하는 생체 임피던스 모듈; 및 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 이용하여 상기 대상체의 맥파 속도를 측정하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 생체 임피던스 모듈은, 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 소정의 샘플링 주파수로 샘플링하여 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치 및 방법은 인체 통신을 이용함으로써, 대상체에게 불편이 될 수 있는 전선을 필요로 하지 않는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치 및 방법은 집적화된 저전력의 초소형 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치 및 방법은 심전도 신호와 생체 임피던스 신호의 샘플링 레이트를 효과적으로 동기화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 대상체로부터 측정되는 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치의 구성을 상세하게 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 방법의 순서를 도시하는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 키보드 받침대를 도시하는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 실시예에서 사용되는 '부'라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부'들로 더 분리될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치(100)의 구성을 도시하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치(100)는 적어도 하나의 심전도 전극(110), 심전도 모듈(130), 적어도 하나의 생체 임피던스 전극(150), 생체 임피던스 모듈(170) 및 신호 처리부(190)를 포함한다.
적어도 하나의 심전도 전극(110)과 심전도 모듈(130)은 하나의 집적화된 마이크로 칩으로 구현될 수 있고, 또는 대상체의 피부에 부착될 수 있는 전자 패치(patch)로 구현될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 생체 임피던스 전극(150)과 생체 임피던스 모듈(170)도 하나의 집적화된 마이크로 칩으로 구현될 수 있고, 또는 대상체의 피부에 부착될 수 있는 전자 패치(patch)로 구현될 수도 있다.
신호 처리부(190)는 적어도 하나의 심전도 전극(110)과 심전도 모듈(130)을 포함하는 마이크로 칩과 적어도 하나의 생체 임피던스 전극(150)과 생체 임피던스 모듈(170)을 포함하는 마이크로 칩과는 별개의 마이크로 칩으로 구현될 수 있고, 또는 적어도 하나의 생체 임피던스 전극(150)과 생체 임피던스 모듈(170)을 포함하는 마이크로 칩에 포함될 수도 있다.
적어도 하나의 심전도 전극(110)은 대상체의 제 1 부분에 부착된다. 대상체의 제 1 부분은 복수의 지점을 포함할 수 있으며, 대상체의 심전도 신호를 측정할 수 있는 다양한 지점을 포함할 수 있다.
심전도 모듈(130)은 적어도 하나의 심전도 전극(110)을 통해 대상체의 심전도 신호를 획득하고, 획득된 심전도 신호에 대해 소정의 신호 처리를 수행한 후, 대상체의 인체 통신을 통해 심전도 신호를 생체 임피던스 모듈(170)로 전달한다. 인체 통신이란, 소정 신호를 전달하기 위한 하나의 경로로 사람 또는 동물의 몸을 이용하는 통신으로서, 인체 통신의 개념은 당업계에 공지된 사항인 바, 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략한다.
적어도 하나의 생체 임피던스 전극(150)은 대상체의 제 2 부분에 부착된다. 대상체의 제 2 부분은 대상체의 생체 임피던스 신호를 측정할 수 있는 다양한 지점을 포함할 수 있다.
생체 임피던스 모듈(170)은 적어도 하나의 생체 임피던스 전극(150)을 통해 대상체의 생체 임피던스 신호를 획득하고, 인체 통신을 통해 상기 심전도 모듈(130)로부터 전송되는 심전도 신호를 수신한다.
또한, 생체 임피던스 모듈(170)은 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 소정의 샘플링 주파수로 샘플링하여, 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환한다.
신호 처리부(190)는 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 이용하여 대상체의 맥파 속도를 측정한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치(100)는 심전도 전극(110)을 통해 획득된 심전도 신호를 인체 통신을 통해 생체 임피던스 모듈(170)로 전달하므로, 대상체에게 불편이 될 수 있는 전선을 필요로 하지 않는다.
또한, 맥파 속도 측정 장치(100)는 생체 임피던스 모듈(170)에서 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 동일한 샘플링 주파수로 샘플링함으로써, 보다 정확한 맥파 속도를 측정할 수 있다. 다시 말하면, 심전도 모듈(130)에서 심전도 신호를 제 1 샘플링 주파수로 샘플링하고, 생체 임피던스 모듈(170)에서 생체 임피던스 신호를 제 1 샘플링 주파수와 동일한 제 2 샘플링 주파수로 샘플링하는 경우라도, 장치가 계속적으로 동작함에 따라 제 1 샘플링 주파수와 제 2 샘플링 주파수가 서로 상이해질 수 있고, 이에 따라. 정확한 맥파 속도가 측정될 수 없다는 문제점이 발생한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치(100)는 심전도 신호와 생체 임피던스 신호 모두를 생체 임피던스 모듈(170)에서 샘플링함으로써, 심전도 신호에 대한 샘플링 주파수와 생체 임피던스 신호에 대한 샘플링 주파수가 서로 달라지는 것을 방지할 수 있다.
한편, 구현예에 따라서는 생체 임피던스 모듈(170)이 생체 임피던스 신호를 인체 통신을 통해 심전도 모듈(130)로 전송하고, 심전도 모듈(130)이 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환하는 것도 가능하다.
도 2는 대상체로부터 획득되는 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 도시하는 도면이다.
심전도 신호는 대상체의 심혈관계 질환의 진단을 위하여 가장 빈번하게 이용되는 진찰 수단이다. 심전도 신호는 진단적으로 평가될 수 있는 다수의 파라미터를 포함하며, 다수의 파라미터들은 도 2의 심전도 신호 그래프(ECG signal)에서 주요하게 나타나는 6개의 극 값(P, Q, R peak, S, T, U)을 포함할 수 있다. 6개의 극 값은 3개의 극대값(P, R peak, T)과 3개의 극소값(Q, S, U)으로 구분될 수 있는데, 6개의 극 값(P, Q, R peak, S, T, U) 중 세 번째로 나타나는 극 값, 즉, 3개의 극대값(P, R peak, T) 중 두 번째로 나타나는 극대값인 R 피크(R peak)는 심박동 중에 심근이 수축하기 시작하는 순간에 발생한다. 따라서 R 피크(R peak)는 대상체의 심장 박동에 따라 규칙적으로 발생한다. 일반적으로 R 피크(R peak) 값은 심전도 신호의 최대값을 나타낸다.
생체 임피던스 신호는 종래의 광혈류 측정 기술에서 측정된 광혈류 측정 신호(PPG signal)를 대체하여 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치(100)에서 맥파 속도를 측정하는데 사용된다. 생체 임피던스 신호는 혈관 내의 맥파에 따라 혈관의 임피던스가 미세하게 변화한다는 점에 착안하여, 대상체의 신체의 일부분, 특히, 혈관 부분에 미세 전류를 흐르게 하고 상기 미세 전류가 흐르는 혈관 부분의 전위차를 검출하여 생성된 신호이다. 즉, 대상체의 신체에서 측정한 혈관 임피던스의 변화에 따른 전기적 신호를 의미한다. 따라서 상기 광혈류 측정 신호와 마찬가지로, 상기 생체 임피던스 신호에는 심전도 신호의 피크 값, 즉 R 피크(R peak) 값에 동기화된 규칙적인 극(pole) 값이 나타난다. 생체 임피던스 신호의 극 값(pole)은 생체 임피던스 신호의 최대값을 나타낸다.
맥파 전달 시간(Pulse transit time, PTT)은 맥파가 대상체의 심장에서 주변 동맥까지 전달되는데 걸리는 시간을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치(100)에서는 도 2에서와 같이, 맥파 전달 시간(PTT)을 심전도 신호의 R 피크(R peak)값이 검출되는 시간(Trpeak)과 생체 임피던스 신호의 극(pole) 값이 검출되는 시간(Tpole) 사이의 간격으로 정의할 수 있다. 즉, 맥파 전달 시간(PTT)은 하기의 [수학식 1]과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 1]
PTT = Tpole-Trpeak
[수학식 1]을 통해 계산된 맥파 전달 시간(PTT)과, 심장으로부터 생체 임피던스 신호가 측정되는 지점, 즉, 적어도 하나의 생체 임피던스 전극(150)이 부착된 지점 사이의 거리(d)를 이용하여 맥파 속도를 측정할 수 있으며, 구체적으로는 하기의 [수학식 2]에 따라 계산될 수 있다.
[수학식 2]
맥파 속도 = d / PTT
이하에서는, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치(100)에 대해 더 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치(100)의 구성을 상세하게 도시하는 도면이다.
적어도 하나의 심전도 전극(110)은 두 개의 심전도 전극(110)을 포함할 수 있으며, 두 개의 심전도 전극(110)이 대상체(10)의 심장 주위에 부착될 수 있고, 두 개의 심전도 전극(110) 중 어느 하나의 심전도 전극(110)이 대상체(10)의 오른쪽 팔목에 부착되고, 다른 하나의 심전도 전극(110)이 왼쪽 팔목에 부착될 수도 있다. 즉, 적어도 하나의 심전도 전극(110)이 부착되는 대상체(10)의 제 1 부분은 복수의 지점을 포함할 수 있으며, 대상체(10)의 심전도 신호를 측정할 수 있는 다양한 지점을 포함할 수 있다.
심전도 모듈(130)은 심전도 신호 증폭부(132), 변조부(134), 제 1 증폭부(136) 및 송신 전극(138)을 포함할 수 있다.
심전도 신호 증폭부(132)는 상기 적어도 하나의 심전도 전극(110)으로부터 획득되는 심전도 신호에 기초하여 증폭 심전도 신호를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 심전도 신호 증폭부(132)는 3개의 연산 증폭기를 포함하는 기기 증폭기의 형태로 구현될 수 있다. 이 경우 심전도 신호 증폭부(132)는 3개의 연산 증폭기와 복수의 저항 소자들을 포함할 수 있고, 높은 입력 임피던스 및 높은 동상제거비 특성을 가질 수 있다.
도 3에는 도시되지 않았지만, 심전도 신호 증폭부(132)는 대역 통과 필터 및 노치 (Notch) 필터에 연결될 수 있다.
대역 통과 필터는 상기 증폭 심전도 신호 중 일정 대역의 주파수를 통과시킬 수 있다. 일 실시예에서, 대역 통과 필터는 2차 대역 통과 필터일 수 있다. 이 경우 대역 통과 필터의 주파수 통과 대역은 약 0.05 Hz 내지 약 50 Hz일 수 있다.
노치 필터는 대역 통과 필터의 출력 신호의 노이즈를 제거하여 상기 심전도 신호를 변조부(134)로 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 노치 필터는 높은 Q 값을 가지고 60 Hz 성분을 저지하도록 설계될 수 있다. 이 경우 60 Hz의 전원 노이즈만을 제거할 수도 있다.
변조부(134)는 심전도 신호를 변조하여 제 1 증폭부(136)로 전달한다. 변조부(134)는 심전도 신호를 주파수 변조할 수 있다. 즉, 심전도 신호의 세기 값에 따라 반송파의 주파수를 변조하여, 주파수 변조된 반송파를 제 1 증폭부(136)로 전달할 수 있다.
제 1 증폭부(136)는 인체 통신을 통해 심전도 신호가 생체 임피던스 모듈(170)로 송신되기 전에 심전도 신호를 증폭한다. 다만, 구현예에 따라서는 제 1 증폭부(136)는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치(100)에서 생략될 수도 있다.
송신 전극(138)은 변조된 심전도 신호를 대상체(10)의 인체 통신을 통해 생체 임피던스 모듈(170)로 전송한다.
적어도 하나의 생체 임피던스 전극(150)은 대상체(10)의 제 2 부분에 부착될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 생체 임피던스 전극(150)은 제 1 전극(152), 제 2 전극(154), 제 3 전극(156) 및 제 4 전극(158)을 포함할 수 있고, 4개의 전극(152, 154, 156, 158)은 대상체(10)의 팔에 모두 부착될 수 있다.
생체 임피던스 모듈(170)은 전류원(171), 생체 임피던스 신호 증폭부(172), 수신 전극(173), 제 2 증폭부(174), 복조부(175), AD 컨버터(179) 및 오실레이터(180)를 포함할 수 있다. 복조부(175)와 AD 컨버터(179)는 전술한 변환부에 포함될 수 있다.
전류원(171)은 제 1 전극(152)과 제 4 전극(158)을 통해 대상체(10)로 측정 전류를 흘리고, 제 2 전극(154)과 제 3 전극(156)에 연결된 전압계(미도시)는 측정 전류에 의해 발생하는 전위차를 획득한다. 전압계가 수행하는 기능, 즉 제 2 전극(154)와 제 3 전극(156)을 통해 전위차를 획득하는 기능은 후술하는 생체 임피던스 신호 증폭부(172)에 의해 수행될 수도 있다. 이 경우, 전압계는 맥파 속도 측정 장치(100)로부터 생략될 수 있다.
생체 임피던스 신호 증폭부(172)는 제 2 전극(154)과 제 3 전극(156)를 통해 검출된 대상체(10)의 제 2 부분의 전위차를 증폭하여 증폭 생체 임피던스 신호를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 생체 임피던스 신호 증폭부(172)는 3개의 연산 증폭기를 포함하는 기기 증폭기(Instrumentation amplifier)의 형태로 구현될 수 있다. 또는, 생체 임피던스 신호 증폭부(172)는 수동 소자만으로 구현되어, 저전력으로 설계될 수 있고, 초핑(chopping) 기법을 통해 CMRR(common mode rejection ratio)을 향상시킬 수 있다.
도 3에는 도시되어 있지 않지만, 생체 임피던스 신호 증폭부(172)는 포락선 검출기 및 대역 통과 필터에 연결될 수 있다. 포락선 검출기는 상기 증폭 생체 임피던스 신호의 포락선을 검출할 수 있다. 대역 통과 필터는 상기 포락선 검출기의 출력 신호 중 일정 대역의 주파수를 통과시켜 상기 AD 컨버터(179)로 제공할 수 있다.
수신 전극(173)은 송신 전극(138)으로부터 송신되는 변조된 심전도 신호를 수신한다.
제 2 증폭부(174)는 인체 통신을 통해 송신되면서 세기가 약해진 심전도 신호를 증폭할 수 있다. 다만, 구현예에 따라서는 제 2 증폭부(174)는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치(100)에서 생략될 수도 있다.
오실레이터(180)는 소정 주파수의 발진 신호를 생성하며, 생성된 발진 신호를 AD 컨버터(179)와 복조부(175)로 제공한다. 오실레이터(180)는 실리콘 오실레이터를 포함할 수 있으며, 이에 따라 생체 임피던스 모듈(170)의 집적화가 가능해질 수 있다.
복조부(175)는 발진 신호의 소정 주파수를 기초로 수신 전극(173)이 수신한 변조된 심전도 신호를 복조하여 디지털 신호로 복조된 심전도 신호를 생성한다. 구체적으로, 복조부(175)는 카운터(176), D-FF(D-filp-flop)(177) 및 가산기(178)를 포함할 수 있다.
카운터(176)는 오실레이터(180)로부터 생성된 발진 신호의 1주기 동안 몇 주기의 심전도 신호가 수신되었는지를 검출하고, 가산기(178)는 카운터(176)와 D-FF(177)의 출력 값에 기초하여 디지털 신호로 복조된 심전도 신호를 생성한다. 즉, 복조부(175)는 발진 신호의 1주기마다 검출되는 심전도 신호의 주기 횟수에 기초하여 심전도 신호의 양자화된 값을 생성한다. 주파수 변조는 신호의 세기에 따라 반송파의 주파수를 조절하는 것이므로, 복조부(175)는 변조된 심전도 신호의 주기 횟수를 발진 신호의 1주기 동안 측정하고, 측정된 값을 양자화함으로써, 주파수 변조된 심전도 신호를 복조하면서 동시에 심전도 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있는 것이다. 주파수 변조된 아날로그 신호를 디지털 신호로 복조하는 기술은 당업계에서 자명하게 사용되고 있는바, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.
AD 컨버터(179)는 발진 신호의 소정 주파수를 샘플링 주파수로 하여 생체 임피던스 신호를 샘플링함으로써, 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환한다. 도 3에는 도시되지 않았지만 AD 컨버터(179)는 샘플링된 생체 임피던스 신호를 양자화하는 양자화부에 연결될 수 있다. 구현예에 따라, AD 컨버터(179)는 VCO(voltage controlled oscillator)를 사용한 시간 기반의 AD 컨버터를 포함할 수 있으며, 이에 따라 공정에 따른 성능 향상을 얻을 수 있고, 전부 디지털 회로로 설계가 가능하게 되어 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치(100)의 AD 컨버터(179)와 복조부(175)는 하나의 오실레이터(180)로부터 생성되는 발진 신호의 소정 주파수에 따라 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환하므로, 심전도 신호에 대한 샘플링 주파수와 생체 임피던스 신호에 대한 샘플링 주파수가 상이해지는 것을 방지할 수 있고, 심전도 모듈(130) 측에 클럭(clock)을 제공할 필요가 없다.
AD 컨버터(179)와 복조부(175) 각각은 디지털 신호로 변환된 생체 임피던스 신호와 디지털 신호로 복조된 심전도 신호를 신호 처리부(190)로 전달하고, 신호 처리부(190)는 AD 컨버터(179)와 복조부(175) 각각으로부터 수신되는 생체 임피던스 신호와 심전도 신호를 이용하여 대상체(10)의 맥파 속도를 측정한다.
한편, 생체 임피던스 모듈(170)이 생체 임피던스 신호를 인체 통신을 통해 심전도 모듈(130)로 전송하고, 심전도 모듈(130)이 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환하는 것도 가능하다고 전술하였는데, 이에 의하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 심전도 모듈(130)의 변조부(134), 제 1 증폭부(136) 및 송신 전극(138)이 생체 임피던스 모듈(170)에 위치할 것이고, 생체 임피던스 모듈(170)의 수신 전극(173), 제 2 증폭부(174), 복조부(175), 오실레이터(180) 및 AD 컨버터(179)가 심전도 모듈(130)에 위치할 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 방법의 순서를 도시하는 순서도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 방법은 도 1에 도시된 맥파 속도 측정 장치(100)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라 하더라도 도 1에 도시된 맥파 속도 측정 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 5의 맥파 속도 측정 방법에도 적용됨을 알 수 있다.
S510 단계에서, 맥파 속도 측정 장치(100)는 대상체의 제 1 부분에 부착되는 적어도 하나의 심전도 전극(110)을 통해 대상체의 심전도 신호를 심전도 모듈(130)에서 획득한다.
S520 단계에서, 맥파 속도 측정 장치(100)는 대상체의 제 2 부분에 부착되는 적어도 하나의 생체 임피던스 전극(150)을 통해 대상체의 생체 임피던스 신호를 생체 임피던스 모듈(170)에서 획득한다.
S530 단계에서, 맥파 속도 측정 장치(100)는 대상체의 인체 통신을 이용하여 심전도 신호를 심전도 모듈(130)로부터 생체 임피던스 모듈(170)로 전송한다. 맥파 속도 측정 장치(100)는 심전도 신호를 생체 임피던스 모듈(170)로 전송하기 전에, 심전도 신호를 주파수 변조하고, 주파수 변조된 심전도 신호를 생체 임피던스 모듈(170)로 전송할 수 있다.
S540 단계에서, 맥파 속도 측정 장치(100)는 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 소정 샘플링 주파주로 샘플링하여 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환한다. 맥파 속도 측정 장치(100)는 변조된 심전도 신호를 소정 샘플링 주파수에 기초하여 복조함으로써, 디지털 신호로 복조된 심전도 신호를 획득할 수 있다.
S550 단계에서, 맥파 속도 측정 장치(100)는 디지털 신호로 변환된 심전도 신호와 디지털 신호로 변환된 생체 임피던스 신호에 기초하여 대상체의 맥파 속도를 측정한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 키보드 받침대(600)를 도시하는 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 맥파 속도 측정 장치(100)는 도 6에 도시된 키보드 받침대(600)로 구현될 수 있다.
키보드 받침대(600)는 본체부(610), 심전도 전극(630), 생체 임피던스 전극(650), 심전도 모듈, 생체 임피던스 모듈 및 신호 처리부를 포함할 수 있다.
본체부(610)는 대상체의 팔을 지지한다. 본체부(610)는 키보드의 일 측에 위치되며, 대상체가 키보드를 사용하고자 하는 경우, 대상체의 팔을 지지할 수 있다.
심전도 전극(630)은 두 개의 심전도 전극(630)을 포함하며, 두 개의 심전도 전극(630) 각각은 본체부(610)의 상면에서 서로 간에 소정 거리 이격되어 위치한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 두 개의 심전도 전극(630) 각각은 서로 간에 소정 거리 이격되어 대상체의 오른쪽 팔과 왼쪽 팔에 부착될 수 있다.
생체 임피던스 전극(650)은 팔의 제 2 부분에 부착되도록 상기 본체부(610)의 상면에 위치한다. 생체 임피던스 전극(650)은 전술한 바와 같이 4개의 전극을 포함할 수 있다.
심전도 모듈은 두 개의 심전도 전극(630) 중 어느 하나의 심전도 전극(630)과 함께 마이크로 칩으로 구현될 수 있고, 또는 본체부(610)의 내부에 위치될 수도 있다. 전술한 심전도 모듈의 송신 전극(138) 역시, 두 개의 심전도 전극(630) 중 어느 하나의 심전도 전극(630)에 포함될 수 있다.
생체 임피던스 모듈은 생체 임피던스 전극(650)과 함께 마이크로 칩으로 구현될 수 있고, 또는 본체부(610)의 내부에 위치될 수도 있다. 전술한, 생체 임피던스 모듈의 수신 전극(173)은 생체 임피던스 전극(650)에 포함될 수 있다.
심전도 모듈은 두 개의 심전도 전극(630)을 통해 획득되는 심전도 신호에 소정의 신호 처리를 적용하고, 송신 전극(138)을 통해 생체 임피던스 모듈로 심전도 신호를 전송할 수 있다.
생체 임피던스 모듈은 생체 임피던스 전극(650)을 통해 획득되는 생체 임피던스 신호와 수신 전극(173)을 통해 수신되는 심전도 신호를 소정의 샘플링 주파수로 샘플링하여 디지털 신호로 변환할 수 있다.
신호 처리부는 생체 임피던스 전극(650)과 생체 임피던스 모듈을 포함하는 마이크로 칩에 포함될 수 있고, 또는 본체부(610)의 내부에 위치될 수도 있다. 신호 처리부는 상기 디지털 신호로 변환된 심전도 신호와 상기 디지털 신호로 변환된 생체 임피던스 신호를 이용하여 대상체의 맥파 속도를 측정할 수 있다.
대상체가 키보드를 사용하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따른 키보드 받침대(600)에 팔을 지지하는 것만으로도, 본 발명의 다른 실시예에 따른 키보드 받침대(600)는 대상체의 맥파 속도를 측정할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.
상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 맥파 속도 측정 장치
110: 심전도 전극
130: 심전도 모듈
150: 생체 임피던스 전극
170: 생체 임피던스 모듈
190: 신호 처리부
600: 키보드 받침대
610: 본체부
630: 심전도 전극
650: 생체 임피던스 전극

Claims (9)

  1. 대상체의 제 1 부분에 부착되는 적어도 하나의 심전도 전극을 통해 상기 대상체의 심전도 신호를 획득하는 심전도 모듈;
    상기 대상체의 제 2 부분에 부착되는 적어도 하나의 생체 임피던스 전극을 통해 상기 대상체의 생체 임피던스 신호를 획득하고, 상기 심전도 모듈로부터 상기 대상체의 인체 통신을 통해 전송되는 상기 심전도 신호를 수신하는 생체 임피던스 모듈; 및
    상기 생체 임피던스 모듈로부터 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 전달받고, 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 이용하여 상기 대상체의 맥파 속도를 측정하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 심전도 모듈와 상기 신호 처리부는, 전선을 통해 서로 연결되지 않은 것을 특징으로 하는 맥파 속도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생체 임피던스 모듈은,
    상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 소정의 샘플링 주파수로 샘플링하여 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호로 변환된 심전도 신호와 생체 임피던스 신호를 상기 신호 처리부로 전달하는 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥파 속도 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 심전도 모듈은,
    상기 대상체의 심전도 신호를 변조하는 변조부; 및
    상기 변조된 심전도 신호를 상기 생체 임피던스 모듈로 전송하는 송신 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 맥파 속도 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 생체 임피던스 모듈은,
    상기 변조된 심전도 신호를 수신하는 수신 전극을 포함하고,
    상기 변환부는,
    상기 생체 임피던스 신호를 상기 소정의 샘플링 주파수로 샘플링하여 상기 생체 임피던스 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터; 및
    상기 수신 전극이 수신한 상기 변조된 심전도 신호를 상기 소정의 샘플링 주파수로 복조하여, 디지털 신호로 복조된 심전도 신호를 생성하는 복조부를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥파 속도 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 생체 임피던스 전극은,
    제 1 전극, 제 2 전극, 제 3 전극 및 제 4 전극을 포함하되,
    상기 생체 임피던스 모듈은,
    상기 제 1 전극과 상기 제 4 전극을 통해 상기 대상체로 측정 전류를 흘리는 전류원; 및
    상기 제 2 전극과 상기 제 3 전극에 연결되어, 상기 측정 전류에 의해 발생되는 전위차를 상기 생체 임피던스 신호로 획득하는 전압계를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥파 속도 측정 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 생체 임피던스 모듈은,
    소정 주파수의 발진 신호를 생성하는 오실레이터를 포함하되,
    상기 변환부는,
    상기 발진 신호의 소정 주파수를 상기 소정의 샘플링 주파수로 하여 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 샘플링하는 것을 특징으로 하는 맥파 속도 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 심전도 신호의 R 피크 값과 상기 생체 임피던스 신호의 극 값 사이의 시간 간격인 맥파 전달 시간을 이용하여 상기 대상체의 맥파 속도를 획득하되,
    상기 심전도 신호의 R 피크 값은 상기 심전도 신호에서 나타나는 복수의 극 값 중 세 번째 극 값에 대응하고, 상기 생체 임피던스 신호의 극 값은 상기 생체 임피던스 신호의 최대값에 대응하는 것을 특징으로 하는 맥파 속도 측정 장치
  8. 대상체의 제 1 부분에 부착되는 적어도 하나의 생체 임피던스 전극을 통해 상기 대상체의 생체 임피던스 신호를 획득하는 생체 임피던스 모듈;
    상기 대상체의 제 2 부분에 부착되는 적어도 하나의 심전도 전극을 통해 상기 대상체의 심전도 신호를 획득하고, 상기 생체 임피던스 모듈로부터 상기 대상체의 인체 통신을 통해 전송되는 상기 생체 임피던스 신호를 수신하는 심전도 모듈; 및
    상기 심전도 모듈로부터 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 수신하고, 상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 이용하여 상기 대상체의 맥파 속도를 측정하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 생체 임피던스 모듈과 상기 신호 처리부는, 전선을 통해 서로 연결되지 않은 것을 특징으로 하는 맥파 속도 측정 장치.
  9. 대상체의 맥파 속도를 측정하는 키보드 받침대에 있어서,
    상기 대상체의 팔을 지지하는 본체부;
    상기 팔의 제 1 부분에 부착되도록 상기 본체부의 상면에서 서로 간에 소정 거리 이격되어 위치되는 제 1 심전도 전극과 제 2 심전도 전극;
    상기 제 1 심전도 전극과 상기 제 2 심전도 전극을 통해 상기 대상체의 심전도 신호를 획득하는 심전도 모듈;
    상기 팔의 제 2 부분에 부착되도록 상기 본체부의 상면에 위치되는 적어도 하나의 생체 임피던스 전극;
    상기 적어도 하나의 생체 임피던스 전극을 통해 상기 대상체의 생체 임피던스 신호를 획득하고, 상기 심전도 모듈로부터 상기 대상체의 인체 통신을 통해 전송되는 상기 심전도 신호를 수신하는 생체 임피던스 모듈; 및
    상기 심전도 신호와 상기 생체 임피던스 신호를 이용하여 상기 대상체의 맥파 속도를 측정하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 심전도 모듈과 상기 신호 처리부는, 전선을 통해 서로 연결되지 않은 것을 특징으로 하는 키보드 받침대.
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