KR101883226B1 - 레이더를 이용하여 수면 효율을 측정하는 방법 및 장치 - Google Patents

레이더를 이용하여 수면 효율을 측정하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

레이더를 이용하여 수면 효율을 측정하는 방법 및 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용하여 수면 효율을 측정하는 장치는 상기 레이더로부터 수신되는 신호를 이용하여 측정 대상자의 신장(height)을 인식하는 신장 인식부, 상기 수신되는 신호에서 상기 측정 대상자의 수면 중 움직임 구간을 추출하고, 상기 추출된 움직임 구간의 길이와 움직임 량을 계산하는 움직임 구간 추출부, 상기 계산된 움직임 량에, 상기 측정 대상자의 신장과 상기 움직임 구간의 길이에 대한 비율을 적용하여 상기 움직임 량을 정규화하는 정규화부, 상기 정규화된 움직임 량에 기초하여 일정 시간 동안의 단위 길이당 총 움직임 량을 계산하고, 상기 계산된 총 움직임 량과 미리 정해진 임계 값을 비교하여 각성 상태 또는 수면 상태인지를 판단하는 수면/각성 상태 판단부 및 총 수면 시간, 상기 총 수면 시간 동안 상기 각성 상태로 판단된 시간과 상기 각성 상태로 판단된 횟수 및 상기 각성 상태가 유지될 것으로 예측되는 미리 정해진 각성 상태 유지 시간을 이용하여 수면 효율을 계산하는 수면 효율 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이더를 이용하여 수면 효율을 측정하는 방법 및 장치{METHOD AND APPRATUS FOR MEASURING SLEEP EFFICIENCY}
본 발명은 레이더를 이용하여 수면 효율을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이더를 이용하여 측정되는 신호를 기반으로 수면 효율을 측정하는 기술에 관한 것이다.
‘UWB(Ultra Wide Band)’란 500MHz 이상의 주파수 대역을 사용하거나 중심 주파수 대비 신호의 대역폭인 비대역폭으로 정의되는 수치가 25% 이상인 라디오 기술을 의미한다.
즉, UWB는 광대역의 주파수를 사용하는 라디오 기술로서, 높은 거리 분해능, 투과성, 협대역 잡음에 대한 강한 면역성, 주파수를 공유하는 타 기기와의 공존성과 같은 다양한 장점을 지닌다.
IR-UWB(Impulse-Radio Ultra Wide Band) 레이더(이하, ‘UWB 레이더’라 칭함) 기술은 이러한 UWB 기술을 레이더에 접목한 것으로, 주파수 영역에서의 광대역 특성을 갖는 매우 짧은 지속 시간의 임펄스 신호를 송신하여 사물 및 사람으로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신해 주변 상황을 인지하는 레이더 기술이다.
UWB 레이더 시스템은 신호 생성부에서 수 나노(nano) ~ 수 피코(pico) 초의 시간 폭을 갖는 임펄스 신호를 생성하여 송신 안테나를 통해 광각 또는 협대역의 각도로 방사하고, 방사된 신호는 다양한 사물이나 사람으로 인해 반사되어 수신 안테나 및 ADC를 거쳐 디지털 신호로 변환된다.
이러한 UWB 레이더의 장점으로 인해, 호흡 및 심박수 측정을 위한 의료용 장치, 재난 현장에서의 인명 구조를 위한 휴대용 레이더 장치, 일정 영역 내의 사람 수를 세는 피플 카운팅 장치 등 다양한 방면에서 UWB 레이더를 활용하기 위한 연구가 진행되고 있으며, 최근에는 수면 효율을 측정하는데까지 그 분야가 확대되고 있다.
일반적으로 수면 효율을 측정하기 위해서는 전문적인 병원을 방문하여 ‘수면다원검사(Polysomnography)’라는 정밀 검진을 받아야 한다.
수면다원검사는 수면 효율의 계산에 필요한 사람의 수면/각성 상태를 뇌파 및 다른 생체 신호 기반으로 판단한다.
뇌파 및 이외 생체 신호 관측을 위해서는 다양한 종류의 센서를 몸에 부착해야만 하는데, 이는 불편한 점도 있을뿐더러, 매일이 아닌 일회성으로 주로 측정된다는 점, 가격이 매우 고가라는 점에 있어서 매일 수면 효율을 측정하기에는 부담되는 것이 사실이다.
또한 밴드 형태로서 손목에 착용하는 센서도 수면 효율을 제공하지만, 이는 주로 호흡 및 심장 박동 수에만 의존하여 수면 효율을 측정하기 때문에 실제 수면 효율과 괴리감이 있을 수 있으며, 신체 일부(손목 등)에 반드시 착용을 해야 하는 번거로움이 있다.
또한 기존의 움직임 기반으로 수면 효율을 측정하는 방법들은 측정 대상자의 신체 사이즈에 따라, 신장이 큰 경우에는 작은 움직임에도 큰 움직임 값으로, 신장이 작은 경우에는 큰 움직임에도 작은 움직임 값으로 판단되어 사용자의 신체 사이즈에 따른 성능 편차가 존재 할 수밖에 없는 문제가 있다.
한편, 본 발명과 관련된 선행문헌으로 2015년 10월 12일자로 공개된 국내공개특허 제10-2015-0114057호가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 수면 효율 측정을 위한 별도의 장치를 측정 대상자가 착용하지 않고 레이더를 이용하여 수면 효율을 측정하되, 측정 대상자의 신체 사이즈뿐만 아니라 측정 대상자의 순간적인 움직임의 크기와 움직임의 지속 시간을 반영하여 측정 결과의 정확도를 높일 수 있는 방안을 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용하여 수면 효율을 측정하는 장치는 상기 레이더로부터 수신되는 신호를 이용하여 측정 대상자의 신장(height)을 인식하는 신장 인식부. 상기 수신되는 신호에서 상기 측정 대상자의 수면 중 움직임 구간을 추출하고, 상기 추출된 움직임 구간의 길이와 움직임 량을 계산하는 움직임 구간 추출부, 상기 계산된 움직임 량에, 상기 측정 대상자의 신장과 상기 움직임 구간의 길이에 대한 비율을 적용하여 상기 움직임 량을 정규화하는 정규화부, 상기 정규화된 움직임 량에 기초하여 일정 시간 동안의 단위 길이당 총 움직임 량을 계산하고, 상기 계산된 총 움직임 량과 미리 정해진 임계 값을 비교하여 각성 상태 또는 수면 상태인지를 판단하는 수면/각성 상태 판단부 및 총 수면 시간, 상기 총 수면 시간 동안 상기 각성 상태로 판단된 시간과 상기 각성 상태로 판단된 횟수 및 상기 각성 상태가 유지될 것으로 예측되는 미리 정해진 각성 상태 유지 시간을 이용하여 수면 효율을 계산하는 수면 효율 계산부를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 효율 측정 장치가 레이더를 이용하여 수면 효율을 측정하는 방법은 (a) 상기 레이더로부터 수신되는 신호를 이용하여 측정 대상자의 신장(height)을 인식하는 단계, (b) 상기 수신되는 신호에서 상기 측정 대상자의 수면 중 움직임 구간을 추출하고, 상기 추출된 움직임 구간의 길이와 움직임 량을 계산하는 단계. (c) 상기 계산된 움직임 량에, 상기 측정 대상자의 신장과 상기 움직임 구간의 길이에 대한 비율을 적용하여 상기 움직임 량을 정규화하는 단계. (d) 상기 정규화된 움직임 량에 기초하여 일정 시간 동안의 단위 길이당 총 움직임 량을 계산하고, 상기 계산된 총 움직임 량과 미리 정해진 임계 값을 비교하여 각성 상태 또는 수면 상태인지를 판단하는 단계 및 (e) 총 수면 시간, 상기 총 수면 시간 동안 상기 각성 상태로 판단된 시간과 상기 각성 상태로 판단된 횟수 및 상기 각성 상태가 유지될 것으로 예측되는 미리 정해진 각성 상태 유지 시간을 이용하여 수면 효율을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수면 효율 측정을 위한 별도의 장치를 측정 대상자가 착용하지 않고도 레이더를 이용하여 정확도 높은 수면 효율을 측정할 수 있다.
또한, 측정 대상자의 신체 사이즈 뿐만 아니라 측정 대상자의 순간적인 움직임의 크기와 움직임의 지속 시간을 반영하여 측정 결과의 정확도를 높일 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 수면 효율 측정 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 효율 측정 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3 내지 도 5는 측정 대상자의 신장을 인식하는 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적으로 수신되는 두 신호의 차이를 계산하는 방법을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 대상의 수면 중 움직임 구간의 추출을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 신호에서의 움직임 구간 길이를 측정하는 방법을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 n번째 신호 수신 시 계산된 순간 움직임 량의 계산 방법을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용하여 수면 효율을 측정하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 효율 측정 방법에 의한 테스트 결과이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 효율 측정 방법과 실제 수면 다원 검사를 비교한 결과이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 수면 효율 측정 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 생체 정보 측정 시스템은 레이더(10) 및 수면 효율 측정 장치(100)를 포함할 수 있다.
본 발명에서 레이더(10)는 IR-UWB(Impulse-Radio Ultra Wide Band) 레이더를 일 실시예로서 사용할 수 있다. 물론, 본 발명의 레이더가 IR-UWB로 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라서 다양한 레이더가 사용될 수 있다.
레이더(10)는 1개의 IR-UWB 레이더를 사용하며 수면 효율 측정 대상자(이하 ‘측정 대상자’라 칭함)의 수면 중 움직임을 측정할 수 있는 위치, 예를 들어 천장 등에 설치되어 측정 대상자의 수면 중 움직임을 감지하고, 감지된 신호를 수면 효율 측정 장치(100)로 제공할 수 있다.
수면 효율 측정 장치(100)는 레이더(10)로부터 측정 대상자의 수면 중 움직임에 의한 신호를 수신하고, 수신된 신호를 이용하여 측정 대상자의 신장(height)을 인식할 수 있다.
여기서 측정 대상자의 신장을 인식하는 방법은 수면 효율을 측정하기 위한 취침 장소(예를 들어 침대 등)에 측정 대상자가 눕기 전과 후의 신호 변화 구간을 추출하여 측정 대상자의 신장을 인식할 수도 있고, 수면 중 인식된 움직임 구간을 합산하고, 합산된 움직임 구간의 시작과 종료 지점을 측정 대상자의 신장으로 인식할 수도 있다.
또한, 수면 효율 검사 전에 미리 입력된 측정 대상자의 신장을 실제 레이더(10)의 설치 위치를 고려하여 환산하고, 환산된 값을 측정 대상자의 신장으로 인식할 수도 있다.
측정 대상자의 신장을 인식하는 방법에 대해서는 도 3 내지 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.
또한, 수면 효율 측정 장치(100)는 레이더(10)로부터 수신되는 신호를 이용하여 측정 대상자의 수면 중 움직임 구간을 추출하고, 추출된 움직임 구간의 길이와 움직임 량을 계산할 수 있다.
여기서 움직임 구간의 길이와 움직임 량은 레이더(10)로부터 수신되는 특정 시퀀스의 신호에 대해 계산된 순간적인 움직임에 대한 길이와 양을 의미한다.
또한, 수면 효율 측정 장치(100)는 상기 움직임 량에, 상기 측정 대상자의 신장과 움직임 길이의 비율을 적용하여, 측정 대상자의 수면 중 절대적인 움직임 뿐만 아니라 상대적인 신장 대비 움직임 길이를 고려함으로써, 어른이나 아이와 같이 신체 조건의 차이에 따른 성능 편차를 감소시킬 수 있다.
참고로, 수면 효율을 측정하는데 있어 중요한 점은 각성 상태와 수면 상태의 구분이며, 의학적으로 정의되는 각성 상태는 뇌파와 많은 관련이 있지만 주로 수면 상태에서 각성 상태로의 전이가 일어나는 경우 일정 시간 동안 일정 크기 이상의 움직임이 동반되는 경우가 많다.
이에, 수면 효율 측정 장치(100)는 측정 대상자의 수면 중 순간적인 움직임과 움직임의 지속 시간을 반영하여 측정 대상자의 각성 상태와 수면 상태를 구분하고 이를 기반으로 수면 효율을 측정할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 수면 효율 측정 장치(100)의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 효율 측정 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
이하, 도 2의 구성 요소를 설명하면서, 도 3 내지 도 9를 참조하여 설명하도록 한다.
도 3 내지 도 5는 측정 대상자의 신장을 인식하는 방법을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적으로 수신되는 두 신호의 차이를 계산하는 방법을 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 대상의 수면 중 움직임 구간의 추출을 도시한 도면이다.
또한, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 신호에서의 움직임 구간 길이를 측정하는 방법을 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 n번째 신호 수신 시 계산된 순간 움직임 량의 계산 방법을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수면 효율 측정 장치(100)는 신장 인식부(110), 움직임 구간 추출부(120), 정규화부(130), 수면/각성 상태 판단부(140), 수면 효율 계산부(150), 제어부(160) 및 저장부(170)를 포함할 수 있다.
각 구성 요소를 설명하면, 신장 인식부(110)는 측정 대상자의 신장을 인식할 수 있다.
이를 위해 신장 인식부(110)는 수면 효율 측정 전 취침 장소(예를 들어 침대 등)에 대한 레이더 신호와 측정 대상자가 취침 장소에 누운 이후의 신호 변화 구간을 추출하여 측정 대상자의 신장을 인식할 수 있다.
측정 대상자의 신장을 인식하는 일 실시예로서 도 3을 살펴보면, 측정 대상자가 취침 장소에 눕기 전 레이더 신호가 (a)에 도시되어 있다.
움직이는 물체가 없는 상태이므로 거리에 따른 세기가 큰 변화 없이 일정함을 알 수 있다.
그러나, 취침 장소에 측정 대상자가 눕게 되면, 측정 대상자에 의해 신호 변화 구간이 발생하게 되고, 신장 인식부(110)는 측정 전(a) 대비 측정 후(b)의 레이더 신호 변화 구간에 기초하여 측정 대상자의 신장을 추정할 수 있다.
또한, 측정 대상자의 신장을 인식하는 다른 실시예로서 측정 대상자의 수면 중 움직임에 의한 레이더 신호의 변화 발생 구간을 이용할 수 있다.
이와 관련하여 도 4를 살펴보면, 측정 대상자의 움직임에 의한 레이더 신호의 변화 발생 구간이 나타나 있다.
여기서 첫 번째 레이더 신호부터 네 번째 레이더 신호는 시간에 있어 연속적일 수도 있고, 연속적이지 않을 수도 있다.
신장 인식부(110)는 도 4와 같이 측정 대상자의 움직임에 의한 레이더 신호의 변화 발생 구간을 이용하여(변화 발생 구간을 합하여), 측정 대상자의 신장을 추정할 수 있다.
즉, 변화 발생 구간을 합산한 결과에서 시작 지점부터 종료 지점까지의 거리를 측정 대상자의 신장으로 인식할 수 있다.
또한, 측정 대상자의 신장을 인식하는 또 다른 실시예로서, 도 5를 살펴보면, 사용자(의료진 등)로부터 측정 대상자의 신장을 입력 받고, 이를 실제 레이더의 설치 위치를 감안한 거리로 환산하여 인식할 수도 있다.
한편, 움직임 구간 추출부(120)는 측정 대상자의 매 순간 수면 중 움직임을 측정할 수 있다.
이를 위해, 움직임 구간 추출부(120)는 연속적으로 수신되는 신호의 차이를 이용할 수 있으며, 이를 수학식으로 나타내면 아래와 같다.
Figure 112016129569519-pat00001
여기서 k는 샘플링 이후의 신호 시퀀스(sequence)를 의미하는 변수, n은 수신 신호의 번호, 즉 iteration 숫자를 의미하며, N은 신호의 총 길이를 의미한다.
그리고 r[k, n]은 수신 신호, Mpre[n]은 연속적으로 수신된 신호의 차이를 이용해 계산된 움직임 값을 의미한다.
레이더(10)의 수신 신호 간 시간 간격이 일정하다고 할 때, 단위 시간 동안의 신호 변화량과 측정 대상의 수면 중 움직임은 서로 비례하게 된다. 즉, 수면 중 움직임이 크다면 상기 [수학식 1]에 의해 계산된 단위 시간 동안의 신호 변화량 역시 크다.
연속적으로 수신되는 두 신호의 차이를 계산하는 방법이 도 6에 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 움직임 구간 추출부(120)는 n번째 수신 신호에서 (n-1)번째 수신 신호를 차감한 차이 신호(d[n, k])를 계산할 수 있다.
또한, 움직임 구간 추출부(120)는 상기 [수학식 1]에 의한 측정 대상의 수면 중 움직임에 단순 임계 값 또는 Constant False Alarm Rate(CFAR)과 같은 Detection 알고리즘을 이용하여 측정 대상의 수면 중 움직임 구간을 추출할 수 있다.
이에 대한 내용이 도 7에 도시되어 있다.
움직임 구간 추출부(120)는 측정 대상의 수면 중 움직임(차이 신호)이 미리 정해진 임계 값(threshold)을 초과하는 경우에 한해서 의미있는 움직임으로 판단할 수 있다.
참고로, CFAR은 수신된 신호에 포함되어 있는 잡음과 클러터 등의 영향을 줄이면서 원하는 신호를 추출해내는 알고리즘으로서, 주위 잡음과 클러터 준위에 따라서 임계 값을 조절할 수 있다.
또한, 움직임 구간 추출부(120)는 상기 추출된 레이더 신호에서의 움직임 구간에 기초하여 레이더 신호에서의 움직임 구간 길이를 측정할 수 있으며 이를 수학식으로 나타내면 아래와 같다.
Figure 112016129569519-pat00002
이에 대한 내용이 도 8에 도시되어 있다.
또한, 움직임 구간 추출부(120)는 움직임 구간의 절대 값 및 그 결과에 대한 합 연산을 통해 순간 움직임 량을 계산할 수 있다.
n번째 신호 수신 시 계산된 측정 대상자의 순간 움직임 량은 아래의 수학식으로 나타낼 수 있으며, 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
Figure 112016129569519-pat00003
여기서 Mins[n]은 n번째 신호 수신 시 계산된 순간 움직임 량이며, 각 움직임 구간(N1~N2, N3~N4, N5~N6)의 절대 값 및 그 값에 대한 합 연산을 통해 움직임 량을 계산할 수 있다.
한편, 정규화부(130)는 움직임 구간 추출부(120)에서 계산된 움직임 량과 움직임 길이 및 측정 대상자의 신장(L)을 이용하여 측정 대상자의 움직임 량을 정규화할 수 있다.
이를 수학식으로 나타내면 아래와 같다.
Figure 112016129569519-pat00004
여기서 M[n]은 측정 대상자의 신장을 고려하여 정규화된(normalized) 움직임 량이다.
상기 [수학식 4]가 의미하는 바는, 같은 움직임 크기도 측정 대상자의 신장 대비 넓은 영역에서 관찰되면 보다 큰 수치로 환산되며, 절대적인 측정 움직임 크기뿐만 아니라 상대적인 신장 대비 움직임 길이 또한 고려 요소로 반영되었음을 나타낸다.
이를 통해, 본 발명의 수면 효율 측정 장치(100)는 어른이나 아이와 같이 신체 조건의 차이에 따른 성능 편차를 감소시킬 수 있다.
한편, 수면/각성 상태 판단부(140)는 일정 시간 동안 측정 대상자의 총 움직임 량을 계산할 수 있으며, 총 움직임 량을 이용하여 측정 대상자의 각성 상태 또는 수면 상태 여부를 판단할 수 있다.
먼저, 일정 시간 동안 측정 대상자의 총 움직임 량은 아래의 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016129569519-pat00005
여기서 K는 윈도우 사이즈이며, M[n]은 측정 대상자의 신장을 고려하여 정규화된(normalized) 움직임 량이다.
이후, 수면/각성 상태 판단부(140)는 상기 총 움직임 량을 이용하여 측정 대상자의 각성 상태 또는 수면 상태 여부를 판단할 수 있으며, 이를 수학식으로 나타내면 아래와 같다.
Figure 112016129569519-pat00006
한편, 수면 효율 계산부(150)는 수면 중 움직임으로 인한 각성 상태에서 움직임 시간 외에 추가적으로 일정 시간(τ)만큼 각성 상태가 유지될 것을 고려하여 수면 효율을 계산할 수 있다.
즉, 각성 상태가 유지될 것으로 예측되는 각성 상태 유지 시간(τ)을 반영할 수 있는데, 각성 상태 유지 시간은 실시예에 따라서 다양하게 미리 정해질 수 있다.
이를 수학식으로 나타내면 아래와 같다.
Figure 112016129569519-pat00007
여기서 E는 수면 효율, Ttotal은 총 수면 노력 시간(잠자리에 머문 시간), TM은 움직임으로 인해 각성 상태로 판단된 시간, K는 움직임으로 인해 각성으로 판단된 횟수를 각각 의미한다.
한편, 제어부(160)는 수면 효율 측정 장치(100)의 구성 요소들, 예를 들어 신장 인식부(110), 움직임 구간 추출부(120), 정규화부(130), 수면/각성 상태 판단부(140), 수면 효율 계산부(150)가 전술한 각 동작을 수행하도록 제어할 수 있으며, 후술하는 저장부(170) 또한 제어할 수 있다.
한편, 저장부(170)는 제어부(160)가 수면 효율 측정 장치(100)의 구성 요소들을 제어하도록 하는 알고리즘과 이를 위한 데이터 및 제어 과정에서 파생되는 다양한 데이터를 저장할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용하여 수면 효율을 측정하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 10의 흐름도는 도 2에 도시된 수면 효율 측정 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
먼저, 수면 효율 측정 장치(100)는 측정 대상자의 신장(키)을 인식한다(S1001).
여기서, 측정 대상자의 신장 인식 방법은 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 측정 대상자가 취침 장소에 눕기 전과 후의 레이더 신호의 변화 구간을 이용하여 인식하거나, 수면 중 인식된 움직임의 영역을 합하여 인식할 수 있고, 사용자(의료진 등)로부터 입력된 측정 대상자의 신장을 실제 레이더 설치 위치를 고려하여 환산할 수도 있다.
S1001 후, 수면 효율 측정 장치(100)는 레이더 신호에서 측정 대상자의 수면 중 움직임 구간을 추출한다(S1002).
여기서 상기 ‘움직임 구간’은 연속적으로 수신되는 두 신호의 차이를 이용하여 계산될 수 있으며, 상기 [수학식 1]을 이용할 수 있다.
참고로, 움직임 구간을 추출 시 미리 정해진 임계 값을 초과하는 경우에 한해서 의미있는 움직임으로 판단할 수 있다.
S1002 후, 수면 효율 측정 장치(100)는 상기 추출된 움직임 구간에 기초하여 레이더 신호에서의 움직임 구간 길이를 측정한다(S1003).
여기서 움직임 구간 길이는 상기 [수학식 2]를 이용할 수 있다.
S1003 후, 수면 효율 측정 장치(100)는 특정 시퀀스의 신호 수신 시 순간 움직임 량을 계산한다(S1004).
이때 수면 효율 측정 장치(100)는 특정 시퀀스의 신호가 수신될 때 발생한 각 움직임 구간에서의 절대 값 및 그에 대한 합 연산을 이용하여 순간 움직임 량을 계산할 수 있으며, 상기 [수학식 3]을 이용할 수 있다.
S1004 후, 수면 효율 측정 장치(100)는 움직임 구간 길이와 측정 대상자의 신장 그리고 순간 움직임 량에 기초하여, 측정 대상자의 신장을 고려한 움직임 량을 정규화한다(S1005).
이는, 절대적인 움직임 크기뿐만 아니라 상대적인 신장 대비 움직임 길이를 고려하여 어른이나 아니와 같이 신체 조건의 차이에 따른 성능 편차를 줄이기 위함이며, 상기 [수학식 4]를 이용할 수 있다.
S1005 후, 수면 효율 측정 장치(100)는 일정 시간 동안의 총 움직임을 계산한다(S1006).
일정 시간 동안 측정 대상자의 총 움직임 량은 상기 [수학식 5]를 이용할 수 있다.
S1006 후, 수면 효율 측정 장치(100)는 미리 정해진 임계 값과 일정 시간 동안 측정 대상자의 총 움직임 량을 비교하여 각성 상태와 수면 상태를 구분한다(S1007).
각성 상태와 수면 상태의 구분은 [수학식 6]을 이용할 수 있다.
S1007 후, 수면 효율 측정 장치(100)는 움직임 시간 외 추가적인 일정 시간만큼 각성 상태가 유지될 것으로 판단하고, 이를 고려하여 수면 효율을 계산한다(S1008).
여기서 수면 효율은 총 수면 노력 시간(잠자리에 머문 시간), 움직임으로 인한 각성 상태로 판단된 시간, 움직임으로 인해 각성으로 판단된 횟수에 기초하여 계산될 수 있으며, 수학식 7을 이용할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 효율 측정 방법에 의한 테스트 결과이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 효율 측정 방법과 실제 수면 다원 검사를 비교한 결과이다.
수면다원검사실에 IR-UWB 레이더를 설치하여 수면다원검사를 진행하는 3명의 환자에 대해 레이더 데이터를 측정하고 이를 의학 데이터와 비교하였다.
도 11은 수면 중 나타나는 움직임 데이터로서 파란색 실선은 [수학식 1]에 의해 계산된 순간적인 움직임 값이고, 빨간색 실선은 [수학식 5]에 의해 계산된 지속 시간을 고려한 움직임 값을 나타낸다.
또한 검정색 실선은 [수학식 5]의 임계 값으로서, 이 값 이상의 움직임 순간은 수면 효율을 계산함에 있어 비효율 수면 상태, 즉, 각성 상태로 판단될 수 있다.
도 12는 수면 효율에 관한 결과로서, 환자 3명에 대해 [수학식 7]을 이용하여 수면 효율을 계산하였다.
도 12를 살펴보면, 수면 효율은 각각 93.2%, 60.6%, 76.3%이며, 실제 수면다원검사를 통해 얻어진 의학 데이터와 각각 1.9%, 4.1%, 13.2%의 절대 오차가 발생하여, 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다.
여기서 세 환자 모두 오차율이 ‘+’인 이유는 움직임을 동반하지 않았음에도, 뇌파를 통해 각성 상태라고 판단되는 사례 때문인 것으로 추정된다.
다만, 3번째 환자에 대해 오차율이 비교적 크게 발생한 이유는 환자가 수면 도중 정지 상태로 각성 상태를 오랜 시간 유지한 것으로 분석된다.
또한, 환자 간 수면 효율을 상대적으로 비교해 보면, 의학 데이터로 측정된 수면 효율의 순서와 레이더로 측정된 수면 효율의 순서가 일치하는 것을 볼 수 있다.
판단에 사용된 임계 값은 3명의 환자 모두 동일하게 7로 설정되었는데, 이는 대략 2초 동안 몸을 움직이는 정도를 나타낸다.
앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 수면 효율 측정 장치
110 : 신장 인식부
120 : 움직임 구간 추출부
130 : 정규화부
140 : 수면/각성 상태 판단부
150 : 수면 효율 계산부
160 : 제어부
170 : 저장부

Claims (9)

  1. 레이더를 이용하여 수면 효율을 측정하는 장치에 있어서,
    상기 레이더로부터 수신되는 신호를 이용하여 측정 대상자의 신장(height)을 인식하는 신장 인식부;
    상기 수신되는 신호에서 상기 측정 대상자의 수면 중 움직임 구간을 추출하고, 상기 추출된 움직임 구간의 길이와 움직임 량을 계산하는 움직임 구간 추출부;
    상기 계산된 움직임 량에, 상기 측정 대상자의 신장과 상기 움직임 구간의 길이에 대한 비율을 적용하여 상기 움직임 량을 정규화하는 정규화부;
    상기 정규화된 움직임 량에 기초하여 일정 시간 동안의 단위 길이당 총 움직임 량을 계산하고, 상기 계산된 총 움직임 량과 미리 정해진 임계 값을 비교하여 각성 상태 또는 수면 상태인지를 판단하는 수면/각성 상태 판단부; 및
    총 수면 시간, 상기 총 수면 시간 동안 상기 각성 상태로 판단된 시간과 상기 각성 상태로 판단된 횟수 및 상기 각성 상태가 유지될 것으로 예측되는 미리 정해진 각성 상태 유지 시간을 이용하여 수면 효율을 계산하는 수면 효율 계산부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수면 효율 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 신장 인식부는
    수면 효율을 측정하는 장소에서 상기 측정 대상자가 눕기 전과 누운 후의 신호 변화 구간을 추출하고, 상기 추출된 신호 변화 구간을 이용하여 상기 측정 대상자의 신장을 인식하는 것을 특징으로 하는 수면 효율 측정 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 신장 인식부는
    상기 수신되는 신호에서 추출된 움직임 구간을 합산하고, 상기 합산한 움직임 구간의 시작 지점과 종료 지점의 거리를 상기 측정 대상자의 신장으로 인식하는 것을 특징으로 하는 수면 효율 측정 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 신장 인식부는
    상기 측정 대상자의 미리 입력된 신장을 상기 레이더의 실제 설치 위치를 고려하여 환산하고, 상기 환산된 값을 상기 측정 대상자의 신장으로 인식하는 것을 특징으로 하는 수면 효율 측정 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 움직임 구간 추출부는
    상기 레이더로부터 연속으로 수신되는 두 신호의 차이인 차이 신호를 이용하여 상기 움직임 구간을 추출하되,
    상기 차이 신호가 미리 정해진 임계 값을 초과하는 경우를 상기 움직임 구간으로 판단하거나,
    상기 차이 신호에 Constant False Alarm Rate(CFAR)를 이용하여 상기 움직임 구간을 판단하는 것을 특징으로 하는 수면 효율 측정 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 수면 효율 계산부는
    아래의 수학식을 이용하여 상기 수면 효율을 계산하는 것을 특징으로 하는 수면 효율 측정 장치.
    [수학식]
    Figure 112016129569519-pat00008

    여기서 E는 수면 효율, Ttotal은 총 수면 시간, TM은 상기 각성 상태로 판단된 시간, K는 상기 각성 상태로 판단된 횟수, τ는 상기 미리 정해진 각성 상태 유지 시간을 의미함.
  7. 수면 효율 측정 장치가 레이더를 이용하여 수면 효율을 측정하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 레이더로부터 수신되는 신호를 이용하여 측정 대상자의 신장(height)을 인식하는 단계;
    (b) 상기 수신되는 신호에서 상기 측정 대상자의 수면 중 움직임 구간을 추출하고, 상기 추출된 움직임 구간의 길이와 움직임 량을 계산하는 단계;
    (c) 상기 계산된 움직임 량에, 상기 측정 대상자의 신장과 상기 움직임 구간의 길이에 대한 비율을 적용하여 상기 움직임 량을 정규화하는 단계;
    (d) 상기 정규화된 움직임 량에 기초하여 일정 시간 동안의 단위 길이당 총 움직임 량을 계산하고, 상기 계산된 총 움직임 량과 미리 정해진 임계 값을 비교하여 각성 상태 또는 수면 상태인지를 판단하는 단계; 및
    (e) 총 수면 시간, 상기 총 수면 시간 동안 상기 각성 상태로 판단된 시간과 상기 각성 상태로 판단된 횟수 및 상기 각성 상태가 유지될 것으로 예측되는 미리 정해진 각성 상태 유지 시간을 이용하여 수면 효율을 계산하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수면 효율 측정 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 (e) 단계는
    아래의 수학식을 이용하여 상기 수면 효율을 계산하는 것을 특징으로 하는 수면 효율 측정 방법.
    [수학식]
    Figure 112016129569519-pat00009

    여기서 E는 수면 효율, Ttotal은 총 수면 시간, TM은 움직임으로 인해 각성 상태로 판단된 시간, K는 움직임으로 인해 각성으로 판단된 횟수, τ는 상기 각성 상태가 유지될 것으로 예측되는 미리 정해진 각성 상태 유지 시간을 의미함.
  9. 제7 항 및 제8 항 중 어느 하나의 항에 따른 방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함하는 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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