KR101803813B1 - G-loc 경고 알고리즘을 이용한 g-loc 경고 방법 및 시스템 - Google Patents

G-loc 경고 알고리즘을 이용한 g-loc 경고 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비행 중 증가된 가속도에 의하여 발생되는 의식상실(G-LOC)을 예방하기 위한 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 근전도(EMG) 신호의 변화를 실시간으로 모니터링하여 G-LOC 상태에 빠질 수 있는 위험요소를 사전에 인식할 수 있는 G-LOC 경고 알고리즘을 이용한 G-LOC 경고 방법 및 시스템에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 G-LOC 경고 알고리즘을 이용한 G-LOC 경고 방법 및 시스템은 실시간으로 근전도 신호 측정 정보 수집이 이루어짐으로써, 비행 기동 중 고가속도에 노출된 비행조종사의 근전도 신호 변화를 측정하는 방식으로 현장에서 즉시 검증될 수 있는 효과가 있다.

Description

G-LOC 경고 알고리즘을 이용한 G-LOC 경고 방법 및 시스템{G-LOC WARNING METHOD AND SYSTEM USING G-LOC ALGORITHM}
본 발명은 비행 중 증가된 가속도에 의하여 발생되는 의식상실(G-LOC)을 예방하기 위한 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 근전도(EMG) 신호의 변화를 실시간으로 모니터링하여 G-LOC 상태에 빠질 수 있는 위험요소를 사전에 인식할 수 있는 G-LOC 경고 알고리즘을 이용한 G-LOC 경고 방법 및 시스템에 관한 것이다.
국제출원번호 : PCT/KR2015/008531 출원일 : 2015-08-13
G-LOC(gravity-induced loss of consciousness)은 비행 중 급격한 기동으로 유발되는 가속도에 의해 비행조종사 머리에 혈액이 공급이 유지되지 못하여 의식이 상실되는 현상을 말한다.
이러한 G-LOC는 심혈관계, 시각 등 신체에 영향을 미치게 되며, 특히 눈 부근의 동맥혈압에 대한 영향은 G-LOC과 직접적으로 관련이 있다. 눈 부근의 동맥혈압이 떨어진다는 것은 머리에 공급되는 뇌 혈류량이 감소됨을 의미하며, 일반적으로 평균 +1Gz 증가 시 평균 뇌동맥혈압은 22 내지 25mmHg씩 감소한다.
한편, 증가된 가속도로 인해 혈액은 하체에 정체되며, 심장으로 되돌아오는 정맥혈류의 감소로 심박출량이 감소하는데, 일상적인 상태인 +1Gz에서 78mmHg정도인 뇌동맥혈압은 +5Gz의 가속도에 사람이 노출될 경우 -10mmHg 까지 떨어지게 되며, 이는 G-LOC의 직접적인 원인이 된다. 그리고 이와 같은 동맥혈압 및 심박출량의 감소에 대한 반응으로 심박동수는 급격하게 증가된다. 여기서 +5Gz는 +1Gz의 중력 가속도에 대해 5배수의 값이다.
가속도에 노출된 사람이 가장 직접적으로 느낄 수 있는 것은 시각의 변화이다. 보다 구체적으로, 안구에 도달하는 동맥혈압의 저하로 인해 망막에 산소 공급이 원활하지 못하게 되고 이로 인해 시각의 상실이 발생할 수 있다. 시각의 상실은 단계에 따라 주변 시야가 상실되는 그레이아웃(grayout)과 중심시력까지 상실되는 블랙아웃(blackout)으로 나눌 수 있고, 이러한 현상은 G-LOC에 임박했음을 의미한다.
도 1은 평균적인 G 내성을 나타낸 것이며, 도시된 바와 같이 특정 장비나 방법 없이는 중력 가속도(gravity acceleration1, +Gz)의 G Level이 1Gz에서 6Gz이상으로 급가속하거나, 6Gz이상을 지속적으로 노출되면 5초 이내에 G-LOC 상태에 빠지게 된다.
따라서 G-LOC을 예방하고 극복하기 위해 조종사(특히 전투기 조종사)는 지속적으로 머리에 혈액공급을 유지할 수 있도록 하는 방법을 사용하여야 한다. 이러한 방법의 예로는 전투기 좌석의 각도 조작, 항-G 전투복(anti-G suit)을 착용한 상태로 복부, 다리 등의 하지의 근육을 신속히 수축하는 방법 및 L-1 Maneuver라는 호흡법으로 이루어져 뇌의 혈액공급을 증가내지 유지시키는 항-G 근수축 동작(anti-G straining maneuver, AGSM) 기법 등이 있다.
그러나, 증가되는 가속도에 대한 가속도 내성(G-tolerance)을 증진시키려는 다각적인 노력에도 불구하고 G-LOC에 의한 항공기 사고는 계속적으로 발생하고 있으며, 이를 해결하기 위한 합리적이면서도 적절한 방안이 마련되지 않는 실정이다.
특허문헌(미국출원특허 2005-022375호)에는 G-LOC 발생에서 나타나는 머리의 떨굼 또는 이완(head drop and relaxation)의 증상을 측정할 수 있는 트래킹 모듈(tracking module)을 조종사의 헬멧에 접목시켜 G-LOC을 분석 평가하여 경고하는 방법 및 장치에 관련한 것이나, 이와 같은 행동 분석 평가는 사전에 G-LOC 상태를 정확히 판단하기는 어려움이 있다.
그러므로 비행조종사의 G-LOC 상태를 정확히 판단하는 알고리즘을 제시하고, 정상 상태와 G-LOC 상태를 비교하여 G-LOC 상태를 정확히 판단하는 알고리즘을 구체화하여 G-LOC를 사전에 경고하는 방법이 필요하다.
이에 위와 같은 점을 감안한 본 발명은 G-LOC를 판단할 수 있는 생체신호로 근전도(EMG) 신호를 이용함으로써, 특히 근전도 장치의 실시간 분석과 기록으로부터 G-LOC을 사전에 예측할 수 있는 G-LOC 경고 알고리즘을 이용하여 실시간으로 G-LOC 위험을 경고할 수 있는 경고방법 및 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 G-LOC 경고 방법은, 근전도 센서를 통해 근육의 근전도(electromyogram, EMG) 신호를 측정하여 저장하는 근전도 신호 측정 단계;와 근전도 신호에서 측정시작부터 일정시간 동안 측정된 초기 근전도 신호를 바탕으로 한 절대적분치(integrated absolute value, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값을 기준값으로 계산하여 저장하는 근전도 신호 기준 설정 단계;와 근전도 센서를 통해 실시간으로 근전도 신호를 모니터링하고, 모니터링한 근전도 신호로부터 특성 지표값인 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 와 파장 길이(waveform length, WL) 및 절대적분치(IAV)와 파장 길이(WL)의 기울기 변화를 계산하여 저장하는 근전도 신호 모니터링 단계;와 근전도 신호 기준 설정 단계 및 근전도 신호 모니터링 단계를 통해 각각 계산된 기준값 및 특성 지표값을 서로 비교하여 G-LOC의 위험 상태를 평가하는 G-LOC 위험 판단 단계;를 포함하여 이루어지며, G-LOC 위험 판단 단계에서는 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 기울기가 n회 연속으로 감소되고, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 n 번째 계산된 값이 기준값의 일정한 비율 이하인 경우 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 발생하는 것일 수 있다.
또한, G-LOC 위험 판단 단계에서는 G-LOC 위험이 없는 것으로 판단될 경우, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)가 n회 연속으로 기준값에 일정한 비율 이하로 계산되면 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 발생하는 것일 수 있다.
한편, 이러한 n은 3인 것일 수 있다.
또한, 근전도 신호 측정 단계는 가속도 5G 이상에서 시작하여 수행되는 것일 수 있다.
추가적으로, 근전도 신호 기준 설정 단계는 근전도 신호에서 처음부터 일정시간 동안 측정된 초기 근전도 신호를 바탕으로 절대적분치(integrated absolute value, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값을 계산하는 단계; 및 절대적분치(integrated absolute value, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값의 평균을 계산하여 기록하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의한 G-LOC 경고 방법은, 근전도 센서를 통해 근육의 근전도(electromyogram, EMG) 신호를 측정하여 저장하는 근전도 신호 측정 단계;와 근전도 신호에서 측정시작부터 일정시간 동안 측정된 초기 근전도 신호를 바탕으로 한 절대적분치(integrated absolute value, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값을 기준값으로 계산하여 저장하는 근전도 신호 기준 설정 단계;와 근전도 센서를 통해 실시간으로 근전도 신호를 모니터링하고, 모니터링한 근전도 신호로부터 특성 지표값으로 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL) 및 기울기 변화를 계산하여 저장하는 근전도 신호 모니터링 단계;와 근전도 신호 기준설정 단계 및 근전도 신호 모니터링 단계를 통해 각각 계산된 기준값 및 특성 지표값을 바탕으로 서로 비교하여 G-LOC의 위험 상태를 평가하는 G-LOC의 위험 판단 단계;를 포함하여 이루어지며, G-LOC 위험 판단 단계에서는 실시간으로 측정된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)가 n회 연속으로 기준값의 일정한 비율 이하인 경우는 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 발생하는 것일 수 있다.
또한, G-LOC 위험 판단 단계에서는 G-LOC 위험이 없는 것으로 판단될 경우, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 기울기가 n회 연속으로 감소되고, n 번째 측정된 값이 기준값의 일정한 비율 이하인 경우 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 발생하는 것일 수 있다.
한편, 이러한 n은 3인 것일 수 있다.
또한, 근전도 신호 측정 단계는 가속도 5G 이상에서 시작하여 수행되는 것일 수 있다.
추가적으로, 근전도 신호 기준 설정 단계는 근전도 신호에서 처음부터 일정시간 동안 측정된 초기 근전도 신호를 바탕으로 절대적분치(integrated absolute value, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값 계산하는 단계; 및 절대적분치(integrated absolute value, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값의 평균을 계산하여 기록하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 G-LOC 경고 시스템은, 근전도 센서를 포함하며, 사용자의 신체 일부분에 부착되어 근전도 신호를 측정하는 센서부(110); 상기 측정한 근전도 신호를 기초로 하여 절대적분치(integrated absolute valve, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값을 통해 기준값을 설정하고, 상기 근전도 센서를 통해 실시간으로 근전도 신호를 모니터링하여 특성 지표값으로 절대적분치(integrated absolute valve, IAV), 파장 길이(waveform length, WL) 및 상기 절대적분치(IAV)와 상기 파장 길이(WL)의 기울기 변화를 계산하고, 상기 기준값 및 상기 특성 지표값을 이용하여 일련의 판단과정으로 G-LOC의 위험 상태를 판단하는 제어부(120); 상기 근전도 신호를 입력받아 상기 근전도 신호를 외부로 디스플레이하는 디스플레이부(130); 및 상기 제어부(120)에서 출력되는 경고 신호를 입력받아 청각적 수단 및 시각적 수단과 같은 감각적 수단으로 사용자에게 위험여부를 경고하는 위험경고부(140)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 G-LOC 경고 시스템은 센서부에서 측정되어 제어부(120)에 입력된 근전도 신호 및 설정된 기준값, 계산된 특성 지표값 등 G-LOC 관련 정보를 저장하는 저장부(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 기울기가 n회 연속으로 감소되고, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 n 번째 계산된 값이 기 기준값의 일정한 비율 이하인 경우이면, G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 상기 위험경고부로 출력할 수 있다.
만약 본 발명의 G-LOC 경고 시스템의 제어부에서 G-LOC 위험이 없는 것으로 판단될 경우, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)가 n회 연속으로 기준값에 일정한 비율 이하로 측정되면 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 상기 위험경고부로 출력할 수 있다.
또한 본 발명의 G-LOC 상기 제어부는 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)가 n회 연속으로 상기 기준값의 일정한 비율 이하인 경우 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 상기 위험경고부로 출력할 수 있다.
만약 상기 제어부에서 G-LOC 위험이 없는 것으로 판단될 경우, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 기울기가 n회 연속으로 감소되고, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 n 번째 계산된 값이 상기 기준값의 일정한 비율 이하인 경우 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 상기 위험경고부로 출력할 수 있다.
이러한 본 발명의 G-LOC 경고 알고리즘을 이용한 G-LOC 경고 방법 및 시스템은 실시간으로 근전도 신호 측정 정보 수집이 이루어짐으로써, 비행 기동 중 고가속도에 노출된 비행조종사의 근전도 신호 변화를 측정하는 방식으로 현장에서 즉시 검증될 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 G-LOC 경고 알고리즘이 비교기준을 포함함으로써, 실시간으로 측정된 절댓값(IAV) 및 파장 길이(WL)의 검증에 대한 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명은 근전도 신호 분석을 통해 근수축도 및 근피로도를 동시에 평가할 수 있으며, 나아가 G-LOC 상태를 실시간 및 지속적으로 예측이 가능하여 이를 통해 가속도 노출 시 조종사의 인체상해를 예방하면서 AGSM 기법의 수행에 대한 평가를 할 수 있다.
또한, 본 발명의 G-LOC 경고 알고리즘을 이용한 G-LOC 경고 방법 및 시스템은 G-LOC을 조기에 신속하게 인식할 수 있으므로 항공기가 추락하기 전에 항공기를 안전하게 비행할 수 있도록 유도하여, 항공기 사고를 줄이고, 비행조종사의 생명을 보존할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 시간에 따른 사람의 평균적인 G 내성을 도식화한 그래프이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 G-LOC 경고 알고리즘을 이용한 G-LOC 경고 방법이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 G-LOC 경고 시스템 블록 구성도(block diagram)이다.
도 5는 G-LOC 현상이 나타난 경우의 근전도 신호 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 계산된 특성 기준값의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 계산된 절대적분치(IAV) 및 파장 길이(WL)의 값의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정된 근전도 신호 변화를 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부한 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 하기 설명에서 구체적인 구성소자 등과 같은 특정 사항들 없이도, 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다 할 것이다.
본 발명의 G-LOC 경고 알고리즘은 근전도 센서를 통해 근육의 수축 시 발생하는 신호인 근전도(electromyogram, EMG) 신호를 측정하는 것으로, 측정자의 피부 표면에 부착된 전극 주위의 근육들에서 발생하는 표면 근전도(surface EMG) 신호를 측정한다.
일 실시예에 따른 근전도 측정부위는 비행조종사의 목 뒤, 복부 및 종아리 부분일 수 있으며, 가속도 증가에 따른 근전도(EMG) 신호의 변화를 측정할 수 있고, 바람직하게는 종아리의 근전도(EMG) 신호를 측정할 수 있으며, 보다 바람직하게는 종아리 부위에서 비복근(gestrocnemius muscle)의 근전도(EMG) 신호를 측정하여 가속 노출시 골격근의 수축도를 평가할 수 있다.
이와 같은 G-LOC 경고 알고리즘은 가속도 5G 이상에서 시작되며, 근전도 센서를 통해 근육의 근전도(EMG) 신호를 측정하여 저장하고, 측정된 근전도(EMG) 신호를 기초로 일정한 수학식에 근거해 특성 지표값을 계산한다.
본 발명에서 G-LOC을 예측할 수 있는 특성 지표값으로는 근전도(EMG) 신호의 진폭특성을 고려한 제곱평균제곱근(root mean square, RMS), 절대적분치(integrated absolute value, IAV), 평균 절댓값(mean absolute value, MAV), 기울기 변화(slope sign change, SSC), 파장 길이(waveform length, WL), 영전위(zero crossing, ZC), 중앙주파수(median frequency) 등이 있다.
여기서 제곱평균제곱근(RMS), 절대적분치(IAV), 평균 절댓값(MAV)은 근수축력을 반영하는 지표이고, 기울기 변화(SSC), 파장 길이(WL), 영전위(ZC), 중앙주파수(MF)는 근수축력과 근피로도를 함께 반영하는 지표로서 사용될 수 있으며, 이 중에서 G-LOC 전후 유의미하게 변화하는 특성 지표값을 분석할 수 있다.
이와 같은 각각의 특성 지표값은 측정된 근전도 신호를 다음 수학식 1 내지 수학식 6과 같은 식으로 계산할 수 있다.
제곱평균제곱근(RMS)는 하기 수학식 1과 같이 계산된다. 하기 수학식에 있어 xn은 n번째로 측정된 근전도 신호의 값을 의미하는 것으로 이해할 수 있다.
Figure 112016091741889-pct00001
절대적분치(IAV)는 하기 수학식 2에서 나타난 바와 같은 수학식을 통해 계산할 수 있다.
Figure 112016091741889-pct00002
또한, 절대적분치(IAV) 값을 기준값으로 평균화한 평균 절댓값(MAV)은 하기 수학식 3과 같은 식을 통해 계산될 수 있다.
Figure 112016091741889-pct00003
파장 길이(WL)은 하기 수학식 4에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112016091741889-pct00004
그리고 기울기 변화(SSC)는 하기 수학식 5에 의해 계산될 수 있으며,
Figure 112016091741889-pct00005
이때 기울기 변화(SSC)식에서
Figure 112016091741889-pct00006
에 의해 계산될 수 있다.
영전위(ZC)는 하기 수학식 6으로 계산될 수 있으며,
Figure 112016091741889-pct00007
이때 영전위(ZC) 식에서
Figure 112016091741889-pct00008
에 의해 계산될 수 있다.
이하 본 발명의 G-LOC 알고리즘을 먼저 상세히 설명한다.
G-LOC 알고리즘은 가속도 5G 이상에서 시작되며, 근전도 센서를 통해 근전도 신호를 측정 및 저장한다. 측정된 근전도 신호에서 초기 반응 값(initial reaction values)으로 3초 동안 측정된 근전도 신호를 바탕으로 앞서 예시된 수학식을 통해 특성 지표값을 계산하고, 이렇게 계산된 특성 지표값을 평균화한 것을 기준값으로 설정한다. 이러한 기준값으로는 절대적분치(IAV) 및 파장 길이(WL)를 평균화한 값이 바람직하다.
한편, 실시간으로 측정된 근전도 신호를 기초로 계산된 특성 지표값 및 특성 지표값의 기울기를 감지한다. 여기서는 각각의 특성 지표값을 모니터링 할 수 있으며, 근전도 신호의 파장에서 3초의 윈도우 크기(Window size) 및 0.5초의 오버랩(overlap)으로 모니터링을 실시할 수 있다. 근전도 신호 모니터링이 수행되고 나면 실시간으로 처리된 결과를 실시간으로 전시하여 확인할 수 있다.
이어서, 전술한 기준값과 실시간으로 계산된 특성 지표값 및 특성 지표값의 기울기 변화를 기반으로 G-LOC의 위험 상태를 판단한다. 판단된 신호를 입력 받아 G-LOC 상태에 빠질 수 있는 위험인 경우이면 경고 신호를 발생하여 청각 및 시각을 포함한 다양한 감각적 수단을 통해 위험상태임을 경고할 수 있다.
또한, G-LOC 위험 판단으로 위험하지 않다고 판단되거나 G-LOC 경고 신호 발생 이후에도 실시간으로 근전도 신호 모니터링을 하여 지속적으로 근전도 신호 측정 및 G-LOC 위험을 평가할 수 있다.
전술한 내용을 바탕으로 구체적으로 본 발명인 G-LOC 경고 방법을 설명한다. 이는 특성 지표값 중에서 절댓값(IAV)과 파장 길이(WL)를 통해 G-LOC을 판단하는 방법에 따라 제 1 실시예 및 제 2 실시예로 구현될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 제 1 실시예의 근전도 신호 측정 단계는 5G이상의 가속도가 가해지면, 근전도 센서를 통해 근전도 신호를 측정하고 저장한다(S110). 근전도 신호 기준 설정 단계에서는 측정된 근전도 신호에서 측정시작부터 3초 동안의 초기 근전도 신호를 통해 절대적분치(IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(WL)의 초기 반응값을 계산하고(S120), 절대적분치(IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(WL)의 초기 반응값을 평균화한 값을 계산하여 기준값으로 설정한다(S130).
여기서 측정되는 근전도 신호는 초기 반응값으로, 근전도 신호의 파장에서 1초의 윈도우 크기(Window size) 및 0.5초의 오버랩(overlap)으로 설정하여 측정할 수 있다.
한편 근전도 신호 모니터링 단계에서는 근전도 센서를 통해 실시간으로 근전도 신호를 모니터링 할 수 있으며, 절대적분치(IAV) 및 파장 길이(WL)와 이들의 각각 기울기 변화를 계산하여 측정한다(S140). 근전도 신호의 파장에서 윈도우 크기(Window size)는 3초이며, 0.5초의 오버랩(overlap)으로 실시간 모니터링을 실시할 수 있다.
이후, 제 1 실시예의 G-LOC 위험 판단 단계에서는 근전도 신호 기준 설정 단계를 통해 계산된 각각의 기준값 및 근전도 신호 모니터링 단계를 통해 계산된 특성 지표값을 서로 비교하여 G-LOC의 위험 상태를 평가한다. 보다 구체적으로는, 모니터링 결과에서 실시간으로 계산된 절대적분치(IAV) 및 파장 길이(WL)의 기울기가 n회 연속으로 감소되고, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 n 번째 계산된 값이 전술한 기준값의 70%이하인 경우, G-LOC 위험으로 판단하여 이를 경고할 수 있다(S151). 위와 같은 판단 기준에서 G-LOC 위험이 없는 것으로 판단되면, 실시간으로 계산된 절대적분치(IAV) 및 파장 길이(WL)가 n회 연속으로 기준값의 70% 이하로 계산되는지 파악하여, 이에 해당하면 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고할 수도 있다(S161). 여기서 n은 3인 것이 바람직하다.
또 다른 제 2 실시예는 전술한 제 1 실시예와 동일한 과정을 수행하며, 다만 도 3과 같이 G-LOC 위험 판단 단계가 제 1 실시예와 반대로 수행되는 차이가 있다. 구체적으로는, 실시간으로 계산된 절대적분치(IAV) 및 파장 길이(WL)가 n회 연속으로 기준값의 70% 이하로 계산될 경우에 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고할 수 있다(S152)
또한 위와 같은 판단 기준에서 G-LOC 위험이 없는 것으로 판단되면, 실시간으로 계산된 절대적분치(IAV) 및 파장 길이(WL)의 기울기가 n회 연속으로 감소되고, n 번째 계산된 값이 전술한 기준값의 70%이하인 경우, G-LOC 위험으로 판단하여 이를 경고할 수 있다(S162). 여기서도 n은 3인 것이 바람직하다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 G-LOC 경고 시스템은 센서부(110), 제어부(120), 디스플레이부(130), 위험경고부(140) 및 저장부(150)로 이루어질 수 있다.
상기 센서부(110)는 근전도 센서(111)와 중력 가속도 센서(112)를 포함하며, 상기 근전도 센서(111)는 사용자의 신체 일부분에 부착되어 근전도 신호를 측정하며, 여기서의 신체 일부분은 비행조종사의 목 뒤, 복부 및 종아리 부분을 의미할 수 있다. 보다 바람직하게는 종아리의 근전도(EMG) 신호를 측정할 수 있으며, 특히 종아리 부위에서 비복근(gestrocnemius muscle)의 근전도(EMG) 신호를 측정하여 가속 노출시 골격근의 수축도를 평가하면 평가의 정확성을 높일 수 있다.
중력 가속도 센서(112)는 사용자가 받는 중력 가속도(gravity acceleration)를 실시간으로 측정할 수 있는 센서이다.
제어부(120)는 근전도 신호를 입력받아 전술한 G-LOC 경고 방법으로 신호처리를 수행한다. 보다 구체적으로, 전술한 G-LOC 경고 방법이라 함은 도 2에 도시된 바와 같으며, 상기 센서부(110)로부터 측정한 근전도 신호를 기초로 하여 절대적분치(IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(WL)의 초기 반응 값을 계산하고(S120), 계산된 절대적분치(IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(WL)의 초기 반응 값을 평균화한 값을 각각 계산하여 기준값으로 설정하고(S130), 상기 근전도 센서를 통해 실시간으로 근전도 신호를 모니터링 하여 특성 지표값으로 절대적분치(IAV) 및 파장 길이(WL)와 이들의 각각 기울기 변화를 계산하고(S140), 상기 기준값과 상기 특성 지표값을 일련의 판단과정을 거쳐(S151, S161) G-LOC 경고 신호를 출력하는 것을 의미한다. 또한, 전술한 신호처리방법의 G-LOC 경고 신호를 출력하기 위한 판단과정은 도 3에 도시된 바와 같이 도 2와 반대로 수행(S152, S162)될 수도 있다. 이러한 제어부는 컴퓨터, 노트북 등과 같은 정보처리기능을 갖는 장치인 것일 수 있다.
G-LOC 경고 시스템의 제어부(120)에서 수행되는 G-LOC 경고 방법은 상술된 본 발명의 일 실시예에 따른 G-LOC 경고 알고리즘을 이용한 G-LOC 경고 방법과 동일한 방법이므로 중복설명하지 않는다.
디스플레이부(130)는 센서부에서 측정된 근전도 신호를 입력받아 외부로 디스플레이하는 디스플레이수단을 포함하며, 측정된 근전도 신호를 파형의 형태로 디스플레이하는 것일 수 있다.
위험경고부(140)는 제어부에서 출력되는 경고 신호를 입력받아 청각적 수단 및 시각적 수단으로 사용자에게 위험여부를 경고한다. 이러한 위험경고부(140)는 사용자에게 경고음을 발생하는 청각적 수단(141), 경고등을 점멸하는 시각적 수단(142) 및 기타 감각적 수단(143) 등으로 위험여부를 경고할 수 있으며, 사용자가 인지하기 용이한 위치에 구비되어, 의식이 혼미해질 수 있는 사용자에게 위험여부를 효과적으로 주지시키는 것일 수 있다.
한편 저장부(150)는 센서부에서 측정되어 제어부(120)에 입력된 근전도 신호 및 설정된 기준값, 계산된 특성 지표값 등 G-LOC 관련 정보는 저장부(150)에 저장될 수 있다.
본 발명의 실시예는 27 내지 40 살의 나이를 갖는 47명의 한국 공군 조종사를 대상으로 실시하였으며, 근전도 신호는 원형의 전극을 5cm 정도의 간격으로 비복근(gestrocnemius muscle)과 발목 부위의 넙치근(soleus muscle) 끝 쪽에 부착하여 측정하였다.
가속도 노출에 따른 G-LOC이 나타나는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 근전도(EMG) 신호의 피크 값이 시간에 따라 점점 작아지는 경향을 보이고, 이러한 경향성은 근전도(EMG) 신호의 이동 평균(Moving Average)으로 나타낸 값을 통해 알 수 있으며, 근전도(EMG) 신호가 평균적으로 0.5 uV이하의 값이 나타나면 G-LOC의 상태가 나타남을 확인할 수 있다.
도 6과 도 7은 본 발명의 일 실시예의 방법으로 피험자의 종아리부위에서 측정한 근전도(EMG) 신호를 분석한 그래프이다.
도 6에 도시된 내용은 측정한 근전도(EMG) 신호에 따라 계산된 특정 기준값으로 제곱평균제곱근(RMS), 절대적분치(IAV), 평균 절댓값(MAV), 기울기 변화(SSC), 파장 길이(WL), 영전위(ZC), 중앙주파수(MF)의 변화를 0.5 초 간격으로 측정한 것이며, 특히 피험자가 G-LOC 상태에 빠지기 3 초 전 부분인 경고 신호단계(alarm phase)에서 절대적분치(IAV) 및 파장 길이(WL)가 감소가 뚜렷하게 나타남을 확인할 수 있다.
또한 도 7은 도 6과 동일한 데이터로 절대적분치(IAV) 및 파장 길이(WL)의 값만 연속으로 측정한 결과를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 6G 가속도에 노출된 경우 피험자가 G-LOC 상태에 빠지기 전에 경고 신호단계(alarm phase)에서 절대적분치(IAV) 및 파장 길이(WL)의 값이 감소됨을 알 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 각각의 피험자에서 측정한 근전도 신호 변화를 나타난 그래프이며, 도 8 및 도 9의 (A) 내지 (F)에서와 같이 6G의 가속도에 노출된 경우 측정된 각각의 피험자 근전도 신호는 G-LOC 경고 알고리즘에 따라 G-LOC 상태에 빠지기 0.5 내지 3.5 초에서 G-LOC 경고 신호가 울렸음을 알 수 있다.
이 중에서 도 8의 (C)에서는 처음 G-LOC 위험의 경고 신호가 난 후, 자가 회복(self-recovery)되어 G-LOC 상태에 빠지지 않았지만 이후에도 지속적으로 실시간 모니터링을 통해 G-LOC 위험을 재판단하여 G-LOC 상태에 빠지기 3.5 초 전에 다시 G-LOC 경고 신호가 울렸음을 알 수 있었다.
이와 같이 본 발명은 근전도 신호 분석을 통해 G-LOC에 의한 사고를 예방하는 방법으로 G-LOC 경고 알고리즘을 이용하여 G-LOC 상태를 실시간 및 지속적으로 예측이 가능하며, G-LOC을 조기에 신속하게 인식할 수 있으므로 항공기가 추락하기 전에 항공기를 안전하게 비행할 수 있도록 유도하여, 항공기 사고를 줄이고, 비행조종사의 생명을 보존할 수 있는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 근전도 센서를 통해 근육의 근전도(electromyogram, EMG) 신호를 측정하여 저장하는 근전도 신호 측정 단계;
    상기 근전도 신호에서 측정시작부터 일정시간 동안 측정된 초기 근전도 신호를 바탕으로 한 절대적분치(integrated absolute value, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값을 기준값으로 계산하여 저장하는 근전도 신호 기준 설정 단계;
    상기 근전도 센서를 통해 실시간으로 근전도 신호를 모니터링하고, 모니터링한 근전도 신호로부터 특성 지표값인 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 와 파장 길이(waveform length, WL) 및 절대적분치(IAV)와 파장 길이(WL)의 기울기 변화를 계산하여 저장하는 근전도 신호 모니터링 단계;
    상기 근전도 신호 기준 설정 단계 및 상기 근전도 신호 모니터링 단계를 통해 각각 계산된 상기 기준값 및 상기 특성 지표값을 서로 비교하여 G-LOC의 위험 상태를 평가하는 G-LOC 위험 판단 단계;를 포함하여 이루어지며,
    상기 G-LOC 위험 판단 단계에서는 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 기울기가 n회 연속으로 감소되고, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 n 번째 계산된 값이 상기 기준값의 일정한 비율 이하인 경우 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 G-LOC 위험 판단 단계에서는 G-LOC 위험이 없는 것으로 판단될 경우,
    실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)가 n회 연속으로 기준값에 일정한 비율 이하로 계산되면 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 n은 3인 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 근전도 신호 측정 단계는 가속도 5G 이상에서 시작하여 수행되는 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 근전도 신호 기준 설정 단계는 상기 근전도 신호에서 처음부터 일정시간 동안 측정된 초기 근전도 신호를 바탕으로 절대적분치(integrated absolute value, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값을 계산하는 단계; 및
    상기 절대적분치(integrated absolute value, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값의 평균을 계산하여 기록하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 방법.
  6. 근전도 센서를 통해 근육의 근전도(electromyogram, EMG) 신호를 측정하여 저장하는 근전도 신호 측정 단계;
    상기 근전도 신호에서 측정시작부터 일정시간 동안 측정된 초기 근전도 신호를 바탕으로 한 절대적분치(integrated absolute value, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값을 기준값으로 계산하여 저장하는 근전도 신호 기준 설정 단계;
    상기 근전도 센서를 통해 실시간으로 근전도 신호를 모니터링하고, 모니터링한 근전도 신호로부터 특성 지표값으로 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL) 및 절대적분치(IAV)와 파장 길이(WL)의 기울기 변화를 계산하여 저장하는 근전도 신호 모니터링 단계;
    상기 근전도 신호 기준설정 단계 및 상기 근전도 신호 모니터링 단계를 통해 각각 계산된 상기 기준값 및 상기 특성 지표값을 서로 비교하여 G-LOC의 위험 상태를 평가하는 G-LOC의 위험 판단 단계;를 포함하여 이루어지며,
    상기 G-LOC 위험 판단 단계에서는 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)가 n회 연속으로 상기 기준값의 일정한 비율 이하인 경우는 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 G-LOC 위험 판단 단계에서는 G-LOC 위험이 없는 것으로 판단될 경우,
    실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 기울기가 n회 연속으로 감소되고, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 n 번째 계산된 값이 상기 기준값의 일정한 비율 이하인 경우 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 n은 3인 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 근전도 신호 측정 단계는 가속도 5G 이상에서 시작하여 수행되는 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 방법.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 근전도 신호 기준 설정 단계는 상기 근전도 신호에서 처음부터 일정시간 동안 측정된 초기 근전도 신호를 바탕으로 절대적분치(integrated absolute value, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값 계산하는 단계; 및
    상기 절대적분치(integrated absolute value, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값의 평균을 계산하여 기록하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 방법.
  11. 근전도 센서를 포함하며, 사용자의 신체 일부분에 부착되어 근전도 신호를 측정하는 센서부;
    상기 측정한 근전도 신호를 기초로 하여 절대적분치(integrated absolute valve, IAV)의 초기 반응값 및 파장 길이(waveform length, WL)의 초기 반응값을 통해 기준값을 설정하고, 상기 근전도 센서를 통해 실시간으로 근전도 신호를 모니터링하여 특성 지표값으로 절대적분치(integrated absolute valve, IAV), 파장 길이(waveform length, WL) 및 상기 절대적분치(IAV)와 상기 파장 길이(WL)의 기울기 변화를 계산하고, 상기 기준값 및 상기 특성 지표값을 이용하여 일련의 판단과정으로 G-LOC의 위험 상태를 판단하는 제어부;
    상기 근전도 신호를 입력받아 외부로 디스플레이하는 디스플레이부; 및
    상기 제어부에서 출력되는 경고 신호를 입력받아 청각적 수단 및 시각적 수단으로 사용자에게 위험여부를 경고하는 위험경고부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제어부는 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 기울기가 n회 연속으로 감소되고, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 n 번째 계산된 값이 상기 기준값의 일정한 비율 이하인 경우이면, G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 상기 위험경고부로 출력하는 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제어부에서 G-LOC 위험이 없는 것으로 판단될 경우, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)가 n회 연속으로 기준값에 일정한 비율 이하로 계산되면 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 상기 위험경고부로 출력하는 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 제어부는 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)가 n회 연속으로 상기 기준값의 일정한 비율 이하인 경우 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 상기 위험경고부로 출력하는 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제어부에서 G-LOC 위험이 없는 것으로 판단될 경우, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 기울기가 n회 연속으로 감소되고, 실시간으로 계산된 절대적분치(integrated absolute value, IAV) 및 파장 길이(waveform length, WL)의 n 번째 계산된 값이 상기 기준값의 일정한 비율 이하인 경우 G-LOC 위험이 있는 것으로 판단하여 경고 신호를 상기 위험경고부로 출력하는 것을 특징으로 하는 G-LOC 경고 시스템.
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