KR101755094B1 - 깊이 카메라를 이용한 수면 중 호흡률 모니터링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 깊이 카메라를 이용한 수면 중 호흡률 모니터링 장치에 대한 것이다.
본 발명의 특징은 적외선을 조사하여 깊이 센서로부터 깊이 데이터를 획득하는 깊이 센서부, 획득된 깊이 데이터로부터 ROI를 설정하는 ROI 설정부, 획득된 깊이 데이터에서 노이즈를 제거하기 위한 노이즈 제거부, 노이즈가 제거된 깊이 데이터에서 평균 값을 구하는 깊이 계산부, 계산된 깊이 값에 따라 호흡률 측정 결과를 출력하는 출력부를 포함하고 있다.

Description

깊이 카메라를 이용한 수면 중 호흡률 모니터링 장치{An apparatus of a respiratory rate monitoring during sleep using a depth camera}

본 발명은 깊이 카메라를 이용한 수면 중 사람의 호흡을 모니터링하는 장치에 대한 것이다.

최근 삶의 질이 향상되고 노령화가 급속히 진행됨에 따라 무병장수에 대한 열망이 커지면서 건강에 대한 관심이 날로 증가하고 있다. 건강을 유지하고 개선시키는 방법에는 운동, 식이요법 등 다양한 방법이 있지만, 하루 중 약 25%의 시간을 할애하는 수면활동을 잘 관리하는 것이 무엇보다 중요하다. 이러한 이유로 최근에는 수면의 질을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다

수면의 질을 향상시키기 위해선, 수면 상태에 대한 분석이 선행되어야 한다. 사용자의 수면 상태를 분석하고 이를 자료화하여 체계적으로 관리함으로써 건강한 신체를 유지할 수 있다. 수면 상태를 분석하기 위해서는 수면 중 호흡수, 심박수, 움직임(뒤척임)수 및 수면시간 등의 다양한 생체정보를 측정하는 것이 기본이 될 것이다. 그러나, 호흡수 또는 심박수 등의 생체정보를 측정하기 위해 의료용 장비를 동원하는 것은 번거로울 뿐만 아니라, 생체정보 측정을 위해 신체에 부착해야 하는 등의 불편함이 수반된다. 이 경우, 수면의 질을 향상시키기 위해 생체정보를 측정함으로써 수반되는 번거로움과 불편함으로 인해 오히려 수면의 질을 해치는 결과를 초래할 수도 있다.

이와 관련하여 한국등록특허 제10-1341291호에는 깊이 센서 기반의 휴면 상태 인식 방법 및 장치가 개시되어 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수면자에게 불편함을 주지 않고 편리하고 적은 비용으로 호흡을 모니터링하여 수면 무호흡증을 진단할 수 있는 장치를 구성하고자 하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 깊이 카메라를 이용한 수면 중 호흡률 모니터링 장치에 있어서, 적외선을 조사하여 깊이 센서로부터 깊이 데이터를 획득하는 깊이 센서부, 획득된 깊이 데이터로부터 ROI를 설정하는 ROI 설정부, 획득된 깊이 데이터에서 노이즈를 제거하기 위한 노이즈 제거부, 노이즈가 제거된 깊이 데이터에서 평균 값을 구하는 깊이 계산부, 계산된 깊이 값에 따라 호흡률 측정 결과를 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 수면자에게 불편함을 주지 않고 편리하고 적은 비용으로 호흡을 모니터링하여 수면 무호흡증을 진단할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 카메라를 이용한 수면 중 호흡률 모니터링 장치를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센서부를 통해 측정된 깊이 데이터와 ROI 설정부를 통해 설정된 취침자의 ROI 영역을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센서에서 깊이 값만의 원본 데이터를 나타낸 그래프와 FIR 필터를 적용시킨 후의 데이터를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세히 살펴본다.

기존의 수면상태를 측정하기 위한 방법으로 카메라를 설치하여 움직임에 대한 정보를 촬영하고, 분석하거나, 사람의 몸무게에 의하여 센서와 사람사이의 접촉면에 발생하는 압력의 분포를 측정하여 분석하는 방법을 사용하였다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 카메라를 이용한 수면 중 호흡률 모니터링 장치를 도시하고 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 호흡률 모니터링 장치(100)는 적외선을 조사하여 깊이 센서로부터 깊이 데이터를 획득하는 깊이 센서부(110), 상기 획득된 깊이 데이터로부터 ROI를 설정하는 ROI 설정부(120), 상기 획득된 깊이 데이터에서 노이즈를 제거하기 위한 노이즈 제거부(130), 상기 노이즈가 제거된 깊이 데이터에서 평균 값을 구하는 깊이 계산부(140), 상기 계산된 깊이 값에 따라 호흡률 측정 결과를 출력하는 출력부(150)를 포함한다.

깊이 카메라의 상기 깊이 센서부(110)는 적외선을 조사하는 복수의 깊이 센서들로부터 센싱 값을 획득하는 부분으로 취침자의 몸에 적외선을 조사하여 깊이 데이터를 수집한다. 적외선을 사용할 경우 주변의 빛의 유무에 관계없이 야간에도 관측이 가능하며 수면 인식의 연속적인 모니터링에 적합하다.

상기 깊이 카메라는 대상 공간에 설치되어 취침자의 머리 15cm 위쪽 설치되어 취침자의 머리에서 다리 방향으로 센싱할 수 있도록 설치한다. 물론 상기 깊이 카메라의 설치예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

취침자가 들숨과 날숨을 쉴 때, 복부에는 흉부와 비슷하거나 더 큰 움직임이 나타난다. 복부를 이용하여 깊이 값을 수집한다면 더 깨끗한 신호를 얻을 수 있지만 사람마다 복부의 크기, 체형 등이 다르기 때문에 본 발명에서는 후술할 도 2에서 적색 박스로 나타낸 바와 같이 취침자의 호흡에 따른 신체의 움직임을 확실히 관찰할 수 있는 흉부를 관심영역(Region of Interest: ROI)으로 지정한다. 상기 ROI 설정부(120)는 취침자 흉부의 좌/상단으로부터 150 * 75 픽셀을 ROI로 지정한다.

상기 깊이 센서부(110)로부터 수집된 영상에서 노이즈를 제거하기 위해 상기 노이즈 제거부(130)에서는 FIR(Finite Impulse Response)필터를 적용한다. 상기 노이즈 제거부(130)는 0.1 Hz에서 0.4 Hz 사이의 데이터만 통과시켜서 노이즈를 제거하고, PSD(Power Spectral Density)를 이용하여 피크 값을 검출한다.

상기 깊이 계산부(140)에서는 상기 ROI에서 깊이 값의 평균을 구하기 위해 수학식 1과 같은 식을 사용한다.

여기서, D는 한 프레임의 평균 깊이 값을 나타내고, i는 프레임의 x 축을 j는 프레임의 y축이다. w는 ROI의 너비를 나타내고, h는 ROI의 높이를 나타낸다.

출력부(150)는 상기 깊이 계산부(140)에서 계산된 호흡률을 바탕으로 취침자의 호흡 상태를 출력한다. 상기 출력부(150)가 디스플레이 형태로 이루어진 경우 상기 출력부(150)는 LED(Light Emitting Diode), LCD(Liquid Crystal Display) 및 유기 EL(Luminescence Display)등 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.

상기 깊이 계산부(140)에서 측정된 호흡률은 상기 출력부(150)을 통해 사용자가 직접적으로 인식 할 수 있도록 출력될 수 있지만, PC 등의 외부 장치로 전송되어 출력될 수도 있다.

도 2는 상기 깊이 센서부(110)를 통해 측정된 깊이 데이터와 상기 ROI 설정부(120)를 통해 설정된 취침자의 ROI 영역을 나타낸다.

도 2처럼 상기 ROI 설정부(120)는 취침자의 흉부의 좌/상단으로부터 150 * 75 픽셀을 ROI로 지정한다.

도 3-a는 깊이 센서에서 깊이 값만의 원본 데이터를 나타낸 그래프이고, 3-b는 FIR 필터를 적용시킨 후의 데이터를 나타낸다.

3-a에서 Y축은 한 프레임의 깊이 값의 평균값이고, X 축은 해당 프레임의 시간(초)을 나타내고, 3-b에서 Y 축은 값의 크기를 나타내고, X 축은 시간(초)이다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 깊이 정보를 획득하는 깊이 센서를 기반으로 하여 취침자에 대한 수면 상태의 여부를 효과적으로 판단할 수 있으며, 대상 공간(ex, 실내 공간)에 간단한 모니터링 환경의 구축만으로도 지속적인 수면 상태의 여부를 판단할 수 있다. 이러한 본 발명은 취침자의 수면 상태의 여부와 연계 동작하는 다양한 제어(ex, 보안 시스템의 제어, 전기 에너지의 절약, 온/습도 및 공기의 질 제어)에 응용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 호흡률 모니터링 장치 110 : 깊이 센서부
120 : ROI 설정부 130 : 노이즈 제거부
140 : 깊이 계산부 150 : 출력부

Claims (5)

1. 깊이 카메라를 이용한 수면 중 호흡률 모니터링 장치에 있어서,
   취침자의 머리 위쪽에 설치되는 상기 깊이 카메라에 구성되어 적외선을 조사하여 깊이 센서로부터 깊이 데이터를 획득하는 깊이 센서부;
   상기 획득된 깊이 데이터로부터 취침자의 흉부부분을 ROI로 설정하는 ROI 설정부;
   상기 획득된 깊이 데이터에서 노이즈를 제거하기 위한 노이즈 제거부;
   상기 노이즈가 제거된 깊이 데이터에서 평균 값을 구하는 깊이 계산부;
   상기 계산된 깊이 값에 따라 호흡률 측정 결과를 출력하는 출력부를 포함하되,
   상기 깊이 데이터의 평균값은 하기 수학식 1에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 깊이 카메라를 이용한 수면 중 호흡률 모니터링 장치.
   
   [수학식 1]
   

   

   
   여기서, D는 한 프레임의 평균 깊이 값을 나타내고, i는 프레임의 x 축을 j는 프레임의 y축이다. w는 ROI의 너비를 나타내고, h는 ROI의 높이를 나타낸다.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 제1항에 있어서,
   상기 노이즈 제거부는 FIR 필터를 적용하여 노이즈를 제거하고, PSD를 이용하여 피크 값을 검출하는 것을 특징으로 하는 깊이 카메라를 이용한 수면 중 호흡률 모니터링 장치
   
5. 삭제

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