KR101678153B1 - 생체신호 측정용 센서를 구비한 웨어러블 장치 및 이를 이용하는 생체신호 계산 방법 - Google Patents

생체신호 측정용 센서를 구비한 웨어러블 장치 및 이를 이용하는 생체신호 계산 방법 Download PDF

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이복수
박재홍
박초롱
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루미컴 주식회사
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Abstract

생체신호 측정용 센서 및 이를 이용하는 생체신호 계산 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서는, 웨어러블 장치에 구비되어 생체신호를 측정하는 센서에 있어서, 적어도 3개의 LED 모듈을 포함하며, 상기 LED 모듈은 2개의 전극과 하나의 LED로 형성되고, 상기 LED 모듈 중 하나가 940nm의 파장 대역을 가지는 적외선을 방출하는 발광부; 및 광 다이오드 모듈을 포함하며, 상기 광 다이오드 모듈은 2개의 전극과 하나의 광 다이오드로 형성되고, 상기 LED 모듈에서 방출된 빛 중 반사 또는 산란된 빛을 획득하는 수광부;를 포함하며, 상기 발광부 및 수광부는 표면실장방식으로 형성된다.

Description

생체신호 측정용 센서를 구비한 웨어러블 장치 및 이를 이용하는 생체신호 계산 방법{Wearable device having sensor for measuring body signal and calculating body signal method thereby}
본 발명은 생체신호 측정용 센서를 구비한 웨어러블 장치 및 이를 이용한 생체신호 계산 방법에 관한 것으로, 특히, 생체신호 중 혈관에서 흐르는 혈액 속의 혈중 산소포화도 및 혈중 일산화탄소 포화도를 측정함으로써 사용자의 현재 건강 상태를 모니터링 할 수 있도록 하는 일체형 센서를 구비한 웨어러블 장치 및 이를 이용한 생체신호 계산 방법에 관한 것이다.
일반적으로 개인의 현재 건강 상태를 확인하기 위해서는 여러가지 생체신호의 모니터링이 요구된다. 이때, 여러가지 생체 신호의 일 예로 혈중 산소포화도 또는 일산화탄소 포화도를 측정함으로써 현재 건강 상태를 확인할 수 있다. 산소포화도(SpO2)는 동맥혈의 맥동성분에 의해 파장별 광 흡수도를 측정하여 비침습적(non-invasive)으로 산출 될 수 있다. 따라서, 이러한 산소포화도를 산출함으로써 사용자의 현재 건강 상태를 지속적으로 측정할 수 있는 장치가 요구되고 있다.
현재 출시되고 있는 생체 신호 측정용 웨어러블 장치들은 이러한 산소포화도를 측정하기 위해 여러 단일 센싱 패키지를 기판에 각각 결합함으로써 생체 신호를 측정하도록 형성된다. 하지만, 이러한 웨어러블 장치들의 경우, 다양한 생체 신호를 측정하기 위해 측정센서들 사이의 넓이가 넓어짐으로써 장치의 크기가 증가하는 문제점이 존재한다.
이러한 문제점으로 인해, 웨어러블 장치들은 휴대가 가능한 크기를 유지하기 위해서 산소포화도 측정의 정확성을 높이는데 필요한 다수의 LED 광원을 포함하지 못하기 때문에 측정된 산소포화도의 신뢰도가 높지 않다는 문제점이 더 존재한다.
한편, 일산화탄소의 경우, 헤모글로빈과 결합하는 경우 헤모글로빈의 산소 운반을 방해함으로써 저산소증을 야기하기 때문에 일산화탄소 중독 여부 역시 생체 신호로써 중요한 인자이다. 하지만, 현재 출시되고 있는 생체 신호 측정용 웨어러블 장치들은 혈중 일산화탄소의 농도를 측정할 수 없으므로 일산화탄소 중독 여부를 판단할 수 없다는 문제점 역시 존재한다.
KR 10-1503604 B
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 센서 패키지의 구조를 변경함으로써 작은 크기로 형성되는 생체신호 측정용 센서와 이를 구비한 웨어러블 장치를 제공하고자 한다.
또, 본 발명의 일 실시예는 센서 패키지의 구조 변경을 통해 다수의 LED 광원을 포함할 수 있는 생체신호 측정용 센서와 이를 구비한 웨어러블 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 혈중 산소포화도 뿐만 아니라 혈중 일산화탄소 농도를 더 측정할 수 있는 생체신호 측정용 센서와 이를 구비한 웨어러블 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 다수의 LED 광원을 이용하여 높은 정확도로 산소포화도 및 일산화탄소 농도를 측정할 수 있는 생체신호 측정용 센서를 이용한 생체신호 계산 방법을 제공하고자 한다..
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 생체신호 측정용 센서가 제공된다. 상기 생체신호 측정용 센서는, 웨어러블 장치에 구비되어 생체신호를 측정하는 센서에 있어서, 적어도 3개의 LED 모듈을 포함하며, 상기 LED 모듈은 2개의 전극과 하나의 LED로 형성되고, 상기 LED 모듈 중 하나가 940nm의 파장 대역을 가지는 적외선을 방출하는 적외선 LED로 형성되는 발광부; 및 광 다이오드 모듈을 포함하며, 상기 광 다이오드 모듈은 2개의 전극과 하나의 광 다이오드로 형성되고, 상기 LED 모듈에서 방출된 빛 중 반사 또는 산란된 빛을 획득하는 수광부;를 포함하며, 상기 발광부 및 수광부는 표면실장방식으로 형성된다.
상기 LED 모듈은, 적어도 하나가 740nm, 660nm 및 643nm 중 어느 하나의 파장 대역을 가지는 적색 광을 방출하는 적색 LED를 포함할 수 있다.
상기 수광부는, 상기 발광부의 송출 파장 대역 별로 분류하여 상기 반사 또는 산란된 빛을 획득할 수 있다.
상기 발광부에서 방출된 빛이 상기 수광부에 바로 입사하는 것을 방지하기 위해 상기 발광부와 수광부 사이에 형성되는 차폐막;을 더 포함할 수 있다.
상기 LED 모듈은, 하나의 상기 적외선 LED 및 3개의 서로 다른 파장 대역을 가지는 상기 적색 LED를 포함할 수 있다.
상기 LED 모듈은, 적어도 하나가 530nm의 파장 대역을 가지는 녹색 광을 방출하는 녹색 LED를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 생체신호 측정용 센서를 이용하는 생체신호 계산 방법이 제공된다. 상기 생체신호 측정용 센서를 이용하는 생체신호 계산 방법은, 생체신호 측정용 센서를 이용하는 생체신호 계산 방법에 있어서, a) 상기 수광부에서 빛을 획득하는 단계; b) 광 흡수율 계산부에서 상기 단계 a)에서 획득한 빛을 이용하여 광 흡수율을 계산하는 단계; 및 c) 범위 판단부에서 상기 광 흡수율이 해당하는 범위를 판단하고, 상기 범위에 따라 생체신호 계산부에서 현재 생체신호를 계산하는 단계;를 포함한다.
상기 단계 a)는, 상기 발광부에서 송출되는 파장 대역 별로 분류하여 상기 반사 또는 산란된 빛을 획득할 수 있다.
상기 광 흡수율은, 하기 식 1로 표현될 수 있다.
식 1
r1=(660nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
r2=(643nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
r3=(740nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
(이때, 흡수값은 수광부에서 획득한 광량, r1: 제 1 광 흡수율, r2: 제 2 광 흡수율, r3: 제 3 광 흡수율)
상기 단계 c)는, c1) 기준 1 또는 기준 2를 만족하는지 판단하는 단계; 및 c2) 상기 기준 1 및 기준 2를 모두 만족하지 않는 경우, 기준 3 또는 기준 4를 만족하는지 판단하는 단계;를 더 포함하며, 상기 기준 1 내지 기준 4는 하기 식 2로 표현될 수 있다.
식 2
범위 1: r1≥1 & r2≥1
범위 2: r1>0.84 & r2>1 & r3>0.73
범위 3: r1>0.54 & r2≤1.025
범위 4: r1<0.82 & r2<0.6 & r3<0.82
상기 단계 c1)은, 상기 기준 1 또는 기준 2를 만족하는 경우, 상기 생체신호 중 혈중 산소포화도를 계산하며, 상기 단계 c2)는, 상기 기준 3 또는 기준 4를 만족하는 경우, 상기 생체신호 중 혈중 일산화탄소 농도를 계산하고, 상기 기준 3 및 기준 4를 모두 만족하지 않는 경우, 상기 단계 c1)으로 돌아갈 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서는, 발광부와 수광부 및 회로를 일체화 시켜서 단일 패키지화하고, 표면실장기법을 이용함으로써 보다 작은 크기로 형성될 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서는, 발광부에 다수의 LED 광원을 포함할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서는, 발광부에 포함된 다수의 LED 광원을 이용하여 혈중 일산화탄소 농도를 더 측정함으로써, 일산화탄소 중독정보를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서를 이용한 생체신호 계산 방법은 다수의 LED 광원을 이용함으로써, 보다 높은 정확도로 혈중 산소포화도 및 일산화탄소 농도를 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서의 a) 회로도 및 b) 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 도 1의 생체신호 측정용 센서의 완성 예를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서의 a)예, b) 회로도 및 c) 구조를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서를 구비한 생체신호 측정용 웨어러블 장치의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서를 이용한 생체신호 계산 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서의 a) 회로도 및 b) 구조를 나타낸 도이며, 도 2는 도 1의 생체신호 측정용 센서의 완성 예를 나타낸 도로서 도 2a는 하나의 IR LED와 3개의 적색 LED를 이용하여 LED 모듈을 형성한 도이고, 도 2b는 4개의 녹색 LED를 이용하여 LED 모듈을 형성한 도이다.
이하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서에서 측정하는 생체신호는 혈중 산소포화도 및 혈중 일산화탄소 농도로 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 사용자의 설정에 따라 다양한 종류의 생체신호를 측정할 수 있다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서(100)는 제 1 LED 모듈(110), 제 2 LED 모듈(120), 제 3 LED 모듈(130) 및 제 4 LED 모듈(140)로 형성되는 발광부 및 1개의 광 다이오드 모듈(150)로 형성되는 수광부를 포함한다.
발광부를 형성하는 각각의 LED 모듈(110, 120, 130, 140)은 각각 두 개의 전극(111/113, 121/123, 131/133, 141/143) 및 전극 사이에서 전기적으로 연결되는 LED(115, 125, 135, 145)를 포함한다.
즉, 일 예로, 제 1 LED(115)는, 각각의 전극(111, 113)이 도 1b의 PIN1(111a) 및 PIN2(113a)와 연결됨으로써 구동될 수 있고, 이를 통해 도 1a의 제 1 LED 모듈(110)을 형성할 수 있다. 이때, 제 1 LED(115)의 제 1 전극(111) 및 제 2 전극(113)은 PIN1(111a) 및 PIN2(113a)와 표면실장기법을 통해 연결될 수 있고, PIN1(111a) 및 PIN2(113a)는 주석핀으로 형성되는 납땜 패드일 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서의 발광부에 포함되는 LED 모듈은, 종래의 납땜 방식보다 공간을 더 확보할 수 있는 효과를 지닐 수 있다.
한편, 발광부의 제 1 내지 제 4 LED(115, 125, 135, 145)는 바람직하게는 IR LED, 적색 LED 및 녹색 LED를 포함할 수 있다. 일 예로, 발광부의 LED 중 IR LED는 940nm 또는 740nm 대역의 파장을 방출할 수 있고, 적색 LED는 660nm 또는 643nm 대역의 파장을 방출할 수 있으며, 녹색 LED는 530nm 대역의 파장을 방출할 수 있다.
이때, 녹색 LED는 측정의 정확성을 증가시키기 위해 사용될 수도 있고, 손목 등의 모세혈관이 많이 존재하지 않는 신체 부위에서 사용될 수 있다. 이는, 녹색 LED에서 방출되는 530nm 파장 대역의 빛이 적외선 또는 적색의 빛에 비해 높은 투과율을 가지기 때문이다.
수광부의 광 다이오드 모듈(150)은 두 개의 전극(151, 153) 및 전극 사이에서 전기적으로 연결되는 광 다이오드(155)를 포함한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에서 광 다이오드 모듈(150)은 바람직하게는 생체신호 측정용 센서(100)의 중앙에 형성될 수 있다. 도 1a를 참조하면, 광 다이오드 모듈(150)은 일 예로, 제 1 LED 모듈(110)과 제 2 LED 모듈(120)을 일 측으로, 제 3 LED 모듈(130)과 제 4 LED 모듈(140)을 일 측으로 하도록 사이에 형성될 수 있다.
한편, 생체신호 측정 결과의 정확도를 높이기 위해서는, 혈관에서 반사되는 빛만을 획득하는 것이 바람직하다. 따라서, 발광부와 수광부가 일체형으로 형성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서(100)의 경우, 발광부에서 방출되는 빛을 수광부에서 직접 수광하는 것을 방지하기 위해서 발광부와 수광부 사이에 차폐막(160)을 더 포함할 수 있다.
차폐막(160)은 발광부인 LED 모듈(110, 120, 130, 140)에서 방출된 빛이 수광부인 광 다이오드 모듈(150)에 직접 수광되는 것을 방지하기 위해 형성된다. 일 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서(100)가 도 1b와 같이 형성되는 경우, 차폐막(160)은 PIN2(113a)와 PIN4(123a)를 일 측으로 하고 PIN9(151a) 및 PIN10(153a)을 타 측으로 하도록 형성될 수 있다. 또, 이와 마찬가지로 차폐막(160)은 PIN9(151a) 및 PIN10(153a)이 일 측에 형성되고, PIN5(131a) 및 PIN7(141a)가 타측에 형성되도록 구비될 수 있다. 이러한 차폐막(160)을 더 포함함으로써 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서(100)는 발광부인 LED 모듈(110, 120, 130, 140)에서 방출되는 빛이 수광부인 광 다이오드 모듈(150)의 광 다이오드(155)에 직접 입사하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 3에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서의 a)예, b) 회로도 및 c) 구조가 도시되어 있다.
도 3a를 살펴보면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서는, 두 개의 발광부와 하나의 수광부를 가지는 도 1 및 도 2의 일체형 센서와 달리 하나의 발광부와 하나의 수광부를 가진다. 따라서, 도 3a의 생체신호 측정용 센서는, 도 3b에 도시된 바와 같은 회로로 형성될 수 있다. 이하에서는 도 1 및 도 2에서 설명된 생체신호 측정용 센서와의 공통점은 생략하고 차이점만 설명하도록 한다. 하지만, 본 발명의 다른 실시예가 일 실시예와의 공통점을 가지지 않는 것으로 한정되진 않는 것이 자명할 것이다.
도 3b를 살펴보면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서(300)는, 발광부에 포함되는 제 1 LED 모듈(310), 제 2 LED 모듈(320) 및 제 3 LED 모듈(330)과, 수광부에 포함되는 광 다이오드 모듈(340)을 포함한다. 발광부는, 3개의 LED(315, 325, 335)를 포함하며, 제 1 LED(315)는 PIN1(311a)과 PIN2(313a)와 결합될 수 있다. 또, 제 2 LED(325)는 PIN3(321a)과 PIN4(323a)에, 제 3 LED(335)는 PIN5(331a)과 PIN6(333a)에 각각 결합될 수 있다.
따라서, 발광부는 총 3개의 LED 모듈(310, 320, 330)으로 형성될 수 있으며, 도 3a의 예에 따라 각각 서로 다른 파장을 방출하는 LED로 구성될 수 있다. 일 예로, 제 1 LED 모듈(310)은 IR LED를 이용하여 형성될 수 있고, 제 2 LED 모듈(320)은 녹색 LED를, 제 3 LED 모듈(330)은 적색 LED 모듈을 이용하여 형성될 수 있다.
또, 수광부는 광 다이오드 모듈(340)을 포함하며, 발광부와 차폐막(350)으로 분리될 수 있다. 광 다이오드 모듈(340)은 PIN7(341a) 및 PIN8(343a)에 결합될 수 있다. 이때, 차폐막(350)은 제 3 LED 모듈(330)과 광 다이오드 모듈(340) 사이에 형성될 수 있고, 차폐막(350)을 이용하여 수광부는 발광부에서 방출된 빛을 직접 획득하지 않을 수 있다.
한편 도 1 내지 도 3과 같은 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서는, 생체신호 측정용 웨어러블 장치에 삽입됨으로써 생체신호를 측정할 수 있으며, 이러한 일 예가 도 4에 도시되고 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서를 구비한 생체신호 측정용 웨어러블 장치의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서를 구비한 생체신호 측정용 웨어러블 장치(400)는 센서부(410) 및 생체신호 획득부(430)를 포함한다.
센서부(410)는 도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서로 형성될 수 있다. 이때, 센서부(410)는 본 발명의 실시예와 같이 발광부(411) 및 수광부(413)를 포함할 수 있다.
발광부(411)는 복수개의 LED 광원으로 구성되며, 특정 파장 대역의 빛을 방출한다. 발광부(411)에서 방출된 빛은 사용자의 혈관에서 반사 또는 산란되고, 반사 또는 산란된 빛은 다시 웨어러블 장치(400)로 입사될 수 있다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 발광부(411)는 적어도 3개의 LED를 포함할 수 있으며, 각각의 LED에서 방출되는 빛의 파장 대역은 940nm, 660nm, 643nm, 740nm 및 530nm 중 어느 하나일 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의상 본 발명의 실시예에 따른 발광부가 제 1 내지 제 4 LED로 표현되는 4개의 LED로 형성되며, 각각의 LED에서 방출되는 빛의 파장 대역은 순서대로 940nm, 660nm, 643nm 및 740nm로 설명하도록 한다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 상술한 파장 대역의 다양한 조합으로 사용될 수도 있으며, 동일한 파장 대역이 2개 이상 포함될 수도 있다.
수광부(413)는 웨어러블 장치(400)로 입사되는 사용자의 혈관에서 반사 또는 산란된 빛을 흡수한다. 수광부(413)는 바람직하게는 발광부(411)와 접하도록 형성될 수 있고, 이때 발광부(411)에서 방출되는 빛이 수광부(413)에 직접 입사되는 것을 방지하기 위해 발광부(411)와 수광부(413) 사이에 차폐막이 형성될 수 있다.
또, 수광부(413)는 흡수되는 빛을 발광부(411)에서 방출된 빛의 파장 대역 별로 분류하여 획득할 수도 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광부(411)에서 940nm, 660nm, 643nm 및 740nm의 파장 대역을 갖는 빛을 방출한 경우, 수광부(413)는 반사 또는 산란된 빛을 해당 파장 대역 별로 각각 획득할 수 있다.
생체신호 획득부(430)는 본 발명의 실시예에 따른 센서부(410)의 수광부(413)에서 흡수한 빛을 이용하여 생체신호를 측정한다. 이때, 생체신호 획득부(430)는 광 흡수율 계산부(431), 범위 판단부(433) 및 생체신호 계산부(435)를 포함할 수 있다.
광 흡수율 계산부(431)는 수광부(413)에서 제 1 내지 제 4 LED의 파장 대역 별로 획득한 반사 또는 산란된 빛의 광량을 이용하여 광 흡수율을 계산한다. 이때, 광 흡수율은 자외선 대역의 흡수량을 기준으로 각각의 LED에서 방출되는 파장 대역을 가지는 빛의 흡수량을 계산함으로써 획득될 수 있으며, 바람직하게는 하기 식 1로 표현될 수 있다.
식 1
r1=(660nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
r2=(643nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
r3=(740nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
(이때, 흡수값은 수광부에서 획득한 광량, r1: 제 1 광 흡수율, r2: 제 2 광 흡수율, r3: 제 3 광 흡수율)
범위 판단부(433)는, 광 흡수율 계산부(431)에서 계산된 각각의 광 흡수율이 기 설정된 범위에 포함되는지 판단한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 범위 판단부(433)는 기 설정된 범위로 하기 식 2로 표현되는 4개의 범위를 이용하여 광 흡수율이 포함되는 범위를 판단할 수 있다.
식 2
제 1 범위: r1≥1 & r2≥1
제 2 범위: r1>0.84 & r2>1 & r3>0.73
제 3 범위: r1>0.54 & r2≤1.025
제 4 범위: r1<0.82 & r2<0.6 & r3<0.82
이때, 범위 판단부(433)는, 바람직하게는 광 흡수율이 제 1 범위에 포함되지 않는 경우, 제 2 범위에 포함되는지 판단하고, 제 2 범위에 포함되지 않는 경우, 제 3 범위에 포함되는지 판단하며, 제 3 범위에 포함되지 않는 경우, 제 4 범위에 포함되는지 여부를 판단할 수 있다.
생체신호 계산부(435)는, 범위 판단부(433)의 판단 결과에 따라 생체신호를 계산한다. 생체신호 계산부(435)는 범위 판단부(433)의 판단 결과, 광 흡수율이 제 1 범위 또는 제 2 범위에 포함되는 경우, 광 흡수율 계산부(431)에서 획득한 광 흡수율을 이용하여 혈중 산소포화도(SpO2)를 계산한다. 또, 생체신호 계산부(435)는, 광 흡수율이 제 3 범위 또는 제 4 범위에 포함되는 경우에는 광 흡수율 계산부(431)에서 획득한 광 흡수율을 이용하여 혈중 일산화탄소 농도(SpCO)를 계산함으로써, 생체신호인 혈중 산소포화도 및 혈중 일산화탄소 농도를 측정할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서를 사용하는 웨어러블 장치를 이용하여 혈중 산소포화도 및 혈중 일산화탄소 농도를 획득하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정용 센서를 이용하여 생체신호를 측정하는 방법은, 수광부에서 빛을 획득하는 단계(S510), 광 흡수율을 계산하는 단계(S520), 및 계산된 광 흡수율이 해당하는 조건에 따라 현재 생체신호를 계산하는 단계(S530)를 포함한다.
먼저, 생체신호 측정용 센서의 수광부에서 빛을 획득한다(단계 S510). 수광부는 센서에 포함된 발광부에서 방출되어 혈관에서 반사 또는 산란된 빛을 획득한다. 이때, 수광부는 발광부와 차폐막을 통해 공간적으로 단절되어 형성될 수 있다. 발광부에서 방출되는 빛은 도 4에서 상술한 바와 같이, 940nm, 660nm, 643nm, 740nm의 파장 대역이기 때문에, 수광부에서는 혈관에서 반사 또는 산란된 빛 중 해당 파장 대역을 구분하여 획득할 수 있다.
다음으로, 광 흡수율 계산부는, 생체신호 측정용 센서의 수광부에서 획득한 빛을 이용하여 광 흡수율을 계산한다(단계 S520). 이때, 광 흡수율 계산부에서 계산되는 광 흡수율은 수광부에서 획득한 각각의 파장대역에서의 광량을 이용하여 획득될 수 있으며, 광 흡수율은 하기 식 3으로 표현될 수 있다.
식 3
r1=(660nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
r2=(643nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
r3=(740nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
(이때, 흡수값은 수광부에서 획득한 광량, r1: 제 1 광 흡수율, r2: 제 2 광 흡수율, r3: 제 3 광 흡수율)
마지막으로, 웨어러블 장치는 계산된 광 흡수율 r1 내지 r3의 값이 기 설정된 범위를 만족하는지 범위 판단부를 이용하여 판단하여, 설정된 조건에 포함되는 경우 생체신호 계산부에서 혈중 산소포화도 또는 혈중 일산화탄소 농도를 계산한다(단계 S530). 이때 단계 S530에서 기 설정된 조건을 만족하는지 판단하는 단계가 도 5b에 도시되어 있다.
도 5b를 참조하면 단계 S530은 조건 1 또는 조건 2를 만족하는지 판단하는 단계(S531), 단계 S531을 만족하는 경우 혈중 산소포화도(SpO2-)를 계산하는 단계(S531a), 단계 S531을 만족하지 않는 경우, 조건 3 또는 조건 4를 만족하는지 판단하는 단계(S532) 및 조건 3 또는 조건 4를 만족하는 경우, 혈중 일산화탄소 농도를 계산하는 단계(S532a)를 포함한다.
이때, 조건 1 내지 조건 4의 범위는 하기 식 4와 같이 표현될 수 있다.
식 4
조건 1: r1≥1 & r2≥1
조건 2: r1>0.84 & r2>1 & r3>0.73
조건 3: r1>0.54 & r2≤1.025
조건 4: r1<0.82 & r2<0.6 & r3<0.82
먼저, 웨어러블 장치는 조건 1 또는 조건 2를 만족하는지 판단한다(S531). 이때, 단계 S520에서 계산된 광 흡수율 r1, r2 및 r3이 조건 1 또는 조건 2를 만족하는 경우, 웨어러블 장치는 혈중 산소포화도(SpO2)를 계산한다(단계 S531a)
즉, 단계 S520에서 획득한 r1값과 r2값이 모두 1 이상이거나, r1값이 0.84 초과이며 r2값이 1 초과이고, r3값이 0.73을 초과하는 경우, 웨어러블 장치는 수광부에서 획득한 빛을 이용하여 혈중 산소포화도(SpO2)를 계산하고 계산한 결과를 사용자에게 출력할 수 있다.
한편, 단계 S531의 판단 결과, 광 흡수율이 조건 1과 조건 2를 모두 만족하지 않는 경우, 웨어러블 장치는 조건 3 또는 조건 4를 만족하는지 판단한다(단계 S532). 이때, 단계 S520에서 계산된 광 흡수율 r1, r2 및 r3이 조건 3 또는 조건 4를 만족하는 경우, 웨어러블 장치는 혈중 일산화탄소 농도(SpCO)를 계산한다(단계 S532a).
즉, 단계 S520에서 획득한 r1값이 0.54를 초과하고 r2값이 1.025 이하이거나, r1값이 0.82 미만이며 r2값이 0.6 미만이고, r3값이 0.82 미만인 경우, 웨어러블 장치는 수광부에서 획득한 빛을 이용하여 혈중 일산화탄소 농도(SpCO)를 계산하고 계산한 결과를 사용자에게 출력할 수 있다.
한편, 단계 S520에서 획득한 광 흡수율이 단계 S531 및 단계 S532에 제시된 조건 1 내지 조건 4를 모두 만족하지 않는 경우, 웨어러블 장치는 해당 광 흡수율을 이용하지 않고, 단계 S520에서 새로 획득되는 광 흡수율을 이용하여 단계 S530을 반복할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100, 300: 생체신호 측정용 센서 110, 310: 제 1 LED 모듈
111, 311: 제 1 전극 111a, 311a: 제 1 핀
113, 313: 제 2 전극 113a, 313a: 제 2 핀
115, 315: 제 1 LED 120, 320: 제 2 LED 모듈
121, 321: 제 3 전극 121a, 321a: 제 3 핀
123, 323: 제 4 전극 123a, 323a: 제 4 핀
125, 325: 제 2 LED 130, 330: 제 3 LED 모듈
131, 331: 제 5 전극 131a, 331a: 제 5 핀
133, 333: 제 6 전극 133a, 333a: 제 6 핀
135, 335: 제 3 LED 140: 제 4 LED 모듈
141, 341: 제 7 전극 141a, 341a: 제 7 핀
143, 343: 제 8 전극 143a, 343a: 제 8 핀
145: 제 4 LED 150, 340: 광 다이오드 모듈
151: 제 9 전극 151a: 제 9 핀
153: 제 10 전극 153a: 제 10 핀
155, 345: 광 다이오드 160, 350: 차폐막
400: 생체신호 측정용 웨어러블 장치 410: 생체신호 측정용 센서
411: 발광부 413: 수광부
430: 생체신호 획득부 431: 광 흡수율 계산부
433: 범위 판단부 435: 생체신호 계산부

Claims (11)

  1. 2개의 전극과 하나의 LED로 형성된 적어도 3개의 LED 모듈을 구비하되 LED 모듈 중 하나가 940nm의 파장 대역을 가지는 적외선을 방출하는 적외선 LED로 형성되는 발광부와, 2개의 전극과 하나의 광 다이오드로 형성된 광 다이오드 모듈을 구비하되 LED 모듈에서 방출된 빛 중 반사 또는 산란된 빛을 획득하는 수광부를 각각 마련한 생체신호 측정용 센서; 및
    생체신호 측정용 센서의 수광부에서 획득한 빛을 이용하여 생체신호를 측정하는 생체신호 획득부;를 포함하며,
    상기 발광부 및 수광부는 표면실장방식으로 형성되고,
    상기 수광부는 발광부의 송출 파장 대역 별로 분류하여 반사 또는 산란된 빛을 획득하며,
    상기 생체신호 획득부는,
    하기 식 1을 이용하여 광 흡수율을 계산하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정용 센서를 구비한 웨어러블 장치.
    식 1
    r1=(660nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
    r2=(643nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
    r3=(740nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
    (이때, 흡수값은 수광부에서 획득한 광량, r1: 제 1 광 흡수율, r2: 제 2 광 흡수율, r3: 제 3 광 흡수율)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LED 모듈은,
    적어도 하나가 740nm, 660nm 및 643nm 중 어느 하나의 파장 대역을 가지는 적색 광을 방출하는 적색 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정용 센서를 구비한 웨어러블 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 생체신호 획득부는,
    광 흡수율의 해당 범위를 판단하고 판단된 광 흡수율의 해당 범위에 따라 생체신호를 계산하되,
    광 흡수율기준 1 또는 기준 2를 만족하는지 판단하고, 기준 1 및 기준 2를 모두 만족하지 않는 경우에 기준 3 또는 기준 4를 만족하는지 판단하는 과정을 통해 광 흡수율의 해당 범위 판단하며,
    상기 기준 1 내지 기준 4는 하기 식 2로 표현되는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정용 센서를 구비한 웨어러블 장치.
    식 2
    범위 1: r1≥1 & r2≥1
    범위 2: r1>0.84 & r2>1 & r3>0.73
    범위 3: r1>0.54 & r2≤1.025
    범위 4: r1<0.82 & r2<0.6 & r3<0.82
  4. 제2항에 있어서,
    상기 생체신호 측정용 센서는,
    발광부에서 방출된 빛이 수광부에 바로 입사하는 것을 방지하기 위해 발광부와 수광부 사이에 형성되는 차폐막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정용 센서를 구비한 웨어러블 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 LED 모듈은,
    하나의 적외선 LED 및 3개의 서로 다른 파장 대역을 가지는 적색 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정용 센서를 구비한 웨어러블 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 LED 모듈은,
    적어도 하나가 530nm의 파장 대역을 가지는 녹색 광을 방출하는 녹색 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정용 센서를 구비한 웨어러블 장치.
  7. 2개의 전극과 하나의 LED로 형성된 적어도 3개의 LED 모듈을 구비하되 LED 모듈 중 하나가 940nm의 파장 대역을 가지는 적외선을 방출하는 적외선 LED로 형성되는 발광부와, 2개의 전극과 하나의 광 다이오드로 형성된 광 다이오드 모듈을 구비하되 LED 모듈에서 방출된 빛 중 반사 또는 산란된 빛을 획득하는 수광부를 각각 포함하는 생체신호 측정용 센서를 이용하는 생체신호 계산 방법으로서,
    a) 수광부에서 빛을 획득하는 단계;
    b) 광 흡수율 계산부에서 단계 a)에서 획득한 빛을 이용하여 광 흡수율을 계산하는 단계; 및
    c) 범위 판단부에서 광 흡수율이 해당하는 범위를 판단하고, 판단된 범위에 따라 생체신호 계산부에서 현재 생체신호를 계산하는 단계;를 포함하며,
    상기 단계 a)는 발광부에서 송출되는 파장 대역 별로 분류하여 반사 또는 산란된 빛을 획득하고,
    상기 광 흡수율은 하기 식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 생체신호 계산 방법.
    식 1
    r1=(660nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
    r2=(643nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
    r3=(740nm 흡수값)/(940nm 흡수값)
    (이때, 흡수값은 수광부에서 획득한 광량, r1: 제 1 광 흡수율, r2: 제 2 광 흡수율, r3: 제 3 광 흡수율)
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 단계 c)는,
    c1) 기준 1 또는 기준 2를 만족하는지 판단하는 단계; 및
    c2) 기준 1 및 기준 2를 모두 만족하지 않는 경우, 기준 3 또는 기준 4를 만족하는지 판단하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 기준 1 내지 기준 4는 하기 식 2로 표현되는 것을 특징으로 하는 생체신호 계산 방법.
    식 2
    범위 1: r1≥1 & r2≥1
    범위 2: r1>0.84 & r2>1 & r3>0.73
    범위 3: r1>0.54 & r2≤1.025
    범위 4: r1<0.82 & r2<0.6 & r3<0.82
  11. 제10항에 있어서,
    상기 단계 c1)은,
    기준 1 또는 기준 2를 만족하는 경우, 생체신호 중 혈중 산소포화도를 계산하며,
    상기 단계 c2)는,
    기준 3 또는 기준 4를 만족하는 경우, 생체신호 중 혈중 일산화탄소 농도를 계산하고,
    기준 3 및 기준 4를 모두 만족하지 않는 경우, 단계 c1)로 돌아가는 것을 특징으로 하는 생체신호 계산 방법.
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