KR101891262B1

KR101891262B1 - 휴대용 개인건강 관리장치

Info

Publication number: KR101891262B1
Application number: KR1020160160361A
Authority: KR
Inventors: 박병섭
Original assignee: 박병섭
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-08-24
Also published as: KR20180060641A

Abstract

사용자의 생체신호를 감지하는 복수 개의 감지센서를 포함하고, 감지센서가 감지한 감지신호로부터 사용자의 체온, 심박수, 혈중 산소포화도, 손떨림 중 적어도 하나를 포함하는 생체데이터를 측정하여 사용자에게 제공하는 휴대용 개인건강 관리장치로, 사용자의 신체 데이터를 측정, 저장, 분석하여 개인사용자에게 제공함으로써 사용자의 건강상태 및 건강상태변화 등을 파악하고 효과적으로 대처할 수 있도록 관리할 수 있다.

Description

휴대용 개인건강 관리장치{Mobile personal healthcare device}

본 발명은 사용자의 신체 데이터를 측정, 저장, 분석하여 개인사용자에게 제공함으로써 사용자의 건강상태 및 건강상태변화 등을 파악하고 효과적으로 대처할 수 있도록 관리하는 휴대용 개인건강 관리장치에 관한 것이다.

개인건강에 관한 패러다임이 바뀌고 있다. 발견된 질병을 치료하는 시대에서 건강하게 장수하는 것을 목표로 하는 건강관리의 시대로 바뀌고 있다. 평생 개인건강관리 시대를 위해 필요한 모바일 헬스케어 기술 등 각종 관련기술 및 서비스가 개발되어 제공되고 있다.

한국보건산업진흥원은 20~60대 전체 인구 중 총 1,200만명이 모바일 헬스케어 관련 기술과 서비스 이용할 것으로 예상하고 있다. 이에 발맞추어 국내 모바일/스마트 헬스케어 시장 규모도 급속히 증가하고 있다. 국내 모바일/헬스케어 시장은 2014년 현재 국내 추산 약 3조원 규모에 육박할 것으로 예상되고 있다.

따라서 헬스케어와 ICT 기술 융합 및 그에 따른 기술 활용성도 증가되고 있으며 중요성도 더욱 부각되고 있다. 디지털 헬스(예를 들어, 스마트 헬스 및 모바일 헬스)관리 기술의 발달로 모바일 헬스 시장은 매년 59.4% 성장해 2018년에는 215억 달러 규모에 이를 것으로 예측하고 있다. 식이요법이나 피트니스 관련 스마트폰 앱의 경우, 2013년 미국에서만도 5570만명이 사용한 것으로 알려져 있다.

또한, 모바일 헬스 영역 중 만성질환 관리(31%)와 건강 및 피트니스(28%)와 관련된 60%가까이가 전문가 대상이 아닌 일반인이 사용하는 건강관리 앱으로 파악되고 있다. 이러한 시장 추세에 맞추어 관련 시장의 니즈를 충족시키기 위한 다양한 기술의 개발이 진행되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제 10-2015-0035680호, (2015.04.07)

본 발명의 기술적 과제는, 사용자의 신체 데이터를 측정, 저장, 분석하여 개인사용자에게 제공함으로써 사용자의 건강상태 및 건강상태변화 등을 파악하고 대처할 수 있도록 관리하는 휴대용 개인건강 관리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 휴대용 개인건강 관리장치는 사용자의 생체신호를 감지하는 복수 개의 감지센서를 포함하고, 상기 감지센서가 감지한 감지신호로부터 사용자의 체온, 심박수, 혈중 산소포화도, 손떨림 중 적어도 하나를 포함하는 생체데이터를 측정하여 사용자에게 제공한다.

상기 감지센서는 상기 심박수 및 상기 혈중 산소포화도 중 적어도 하나의 생체데이터를 측정 가능한 제1감지센서를 포함할 수 있다.

상기 생체데이터 중 상기 손떨림은 단위 시간 당 감지된 신체 변위신호를 임계값과 비교하여 측정할 수 있다.

본 발명에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 스마트폰 연동이 가능한 컴팩트한 모듈형 기기를 개인에게 제공할 수 있고, 여러 생체 센서들을 단일 통합모듈에 장착하여 필요한 생체 데이터를 편리하게 측정하고 분석하여 제공할 수 있다. 또한, 추가적인 센서 부착이 용이한 모듈화된 구조로 확장이 용이한 효과를 얻을 수 있고, 개인 맞춤형 센서 부착으로 개인화된 서비스가 가능하다. 이를 통해 특정 증상에 대한 보다 효율적인 대처도 가능하다. 또한, 소형의 휴대형 구조로 지속적인 개인 건강 정보 수집이 가능한 효과가 있고, 라이프 타임 건강 관리를 지향하는 주기적 건강 데이터 모니터링 서비스를 개별 기기를 통해 제공 가능한 등의 매우 유용한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 블록구성도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 구성 일부를 각각 도시한 사진들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 내부구조를 도시한 도면들이다.
도 8은 본 발명의 외형과 내부구조의 구현례를 도시한 사진이다.
도 9 및 도 10은 산소포화도 측정과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 손떨림 측정과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 데이터 표시형태의 일 례를 도시한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 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 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 휴대용 개인건강 관리장치에 대해서 상세히 설명한다.

[본 발명의 개요]

본 발명(휴대용 개인건강 관리장치)은 개인 사용자가 대상일 수 있으며 사용 가능한 개인은 특정 개인으로 제한될 필요는 없다. 특히 본 발명은 노인층 및 퇴원 후 주기적으로 생체 신호를 관리해야 할 필요가 있는 노약자 및 환자 등이 주된 사용자일 수 있다. 본 발명은 이러한 개인 사용자에게 최적화된 소형 헬스케어 기기로 주기적인 측정으로 개인의 건강관리가 가능한 소형 웨어러블 헬스케어 장치로 설계 및 제작된다. 또한, 앱이나 서버등과 연동하여 데이터 수집 및 개인 이력 데이터 관리 기능을 제공할 수 있다. 구체적인 본 발명의 기능으로 체온, 심박, 산소포화도(SpO2), 손떨림 등의 생체관련 데이터를 측정 및 저장하고 분석하여 사용자에게 제공할 수 있으며 제공 시 시각적 표시방법을 포함하는 다양한 방법을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 구현례로서 다음과 같은 구성품을 사용하여 구현할 수 있다. 예를 들어, freescale사의 Cortex-M4 MCU, TI사의 TMP006 IR 센서(체온센서 가능), 오스람사의 SFH 7050 센서(심박 및 산소포화도 센서 가능), Invensense사의 MPU-9250 센서(손떨림-파킨슨병 예후 진단가능), 블루투스 모듈(TI사의 CC2541 칩을 사용한 모듈-BLE 4.0 지원가능) 등의 구성품을 사용하여 사이즈 40 x 40 mm, 액정 화면 1.3인치 OLED display를 포함하는 휴대용 개인건강 관리장치를 구현할 수 있다.

[본 발명의 구체적인 구성] (도 1참조 )

본 발명은 구체적으로 다음과 같은 구성품을 사용하여 구현할 수 있다. 통합보드 PCB, 온도센서 모듈, SpO2 module, BLE module, 베이스보드, 1.3인치 OLED display, Gyro sensor, Micro-USB connector, Li-Poly battery, Two buttons, Main board-size: 38 x 38 mm.

각 구성부의 구성을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

<Body temperature sensor module> (도 2참조 )

Sensor - TI’s TMP006 sensor Range: ±1°C (max) from 0°C to 60°C, ±1.5°C (max) from -40°C to +125°C, Low Power Supply: 2.2 V to 5.5 V, Compact Package: 1.6-mm × 1.6-mm × 0.625-mm DSBGA

Module design-Temperature sensor module-size: 12.8 x 9.1 mm

< SpO2 sensor module> (도 3참조 )

Sensor - OSRAMS’s SFH 7050 sensor (SpO2 & Heart rate), Multi chip package featuring 3 emitters and one detector, Small package: (WxDxH) 4.7 mm x 2.5 mm x 0.9 mm

Module design - Freescale Kinetis K22 Cortex-M4F MCU, TI’s AFE 4403

SFH 7050 sensor (Heart rate & SpO2), Compact Package : 10 x 15 mm size

<BLE4.0 module> (도 4참조 )

RF Chip - TI’s CC2541: 2.4-GHz Bluetooth low energy Compliant and Proprietary RF System-on-Chip, High-Performance and Low-Power 8051 Microcontroller Core With Code Prefetch, Bluetooth v4.0 Compliant Protocol Stack for Single-Mode BLE Solution(GAP, GATT profile), Supports 250-kbps, 500-kbps, 1-Mbps, 2-Mbps Data Rates, Small package: 6×6-mm QFN-40 Package

Module design - TI’s CC2541 RF, BLE 4.0 support (TI’s CC2541), Bluetooth GATT Profile, Chip anterna, Performance: -5dB, Compact Package: 18 x 13.5 mm size

< Gyro sensor(in Base-board)> (도 5참조 )

Sensor - InvenSense’s MPU-9250, MPU-9250 is a 9-axis Motion Tracking device that combines a 3-axis gyroscope, 3-axis accelerometer, 3-axis magnetometer and a Digital Motion Processor(DMP), Small package: 3x3x1mm package

<구체적인 구조> (도 6, 도 7, 도 8참조 )

[본 발명의 동작과 작용효과]

<체온측정>

체온은 TMP 006 적외선(IR) 센서를 사용하여 비접촉식으로 보정 및 측정한다. 체온은 헬스기기의 아래 면에 IR 센서 홈 부분에 각도와 거리를 고려하여 근접하여 측정한다. 주로 체온 측정이 잘되는 신체 부분에 가까이 근접하여 측정하는 것이 유리하다. 측정범위는 ±1°C (max) from 0°C to 60°C, ±1.5°C (max) from -40°C to +125°C 일 수 있다. 온도센서에서 측정된 값은 I2C(Inter Integrated Circuit)를 통하여 MCU(Cortex-M4)와 통신하여 메모리로 읽어 들일 수 있다. 또한, 측정된 온도 값은 SPI 방식으로 BLE 모듈로 전송하고, 스마트폰 앱에서 동기화 기능을 이용하여 표시할 수도 있다.

< 심박 측정>

초당 심박 펄스 수를 카운트하는 방식으로 측정한다. SFH 7050에서 ‘Green” LED로 측정, 검지 손가락을 헬스기기 아래의 센서 접합면에 접촉하여 측정한다. 심박수 경우에만 설계에서 광전류의 DC 성분은 무시되고, AC 성분의 주기성(I_max - I_min, 주파수)에만 관심이 있다. AFE 4403 칩을 통해 읽은 카운트 값(심박수)을 SPI 방식으로 MCU로 읽어 들인다. 읽은 심박수 값은 OLED 액정에 표시하거나, 또는 BLE 모듈로 전송하여 스마트폰 앱에 표시할 수도 있다.

<산소포화도(SpO2) 측정>

혈액의 산소포화도는 헤모글로빈이 산소와 결합하고 있는 비율(%)을 말한다. 환자의 동맥혈중의 산소포화도(SpO2) 채혈을 하지않고 비침습적으로 측정하여, 혈액내 산소포화량을 측정하는 방법이다. 체내의 산소포화도 상태를 수치화하여 관찰함으로써 그 결과를 호흡관리에 반영하고 저 산소증의 위험이 발생할 수 있는 환자에 대하여 빠르게 대응할 수 있다. 동맥피의 산소 포화도는 높고 정맥피의 산소포화도 낮다. 혈액의 산소포화도(%)는 혈관의 종류 및 위치, 건강상태, 체액의 온도, pH, O2분압, CO2분압, CO분압, 혈류속도, 헤모글로빈의 종류, 기타 약물 등에 의해 달라질 수 있다.

SFH 7050은 완벽하게 통합된 광전자 센서로 특별히 반사 광 혈류를 위해 설계되었고 이에 최적화되어 있다. 이 센서는 신호 레벨을 최대화하기 위해 3개의 LED, 녹색 (535 ㎚), 적색 (660 ㎚) 및 IR (940 ㎚)와 큰 면적의 포토 다이오드(photodiode: PD)를 특징으로 한다. 장치 설계는 신호 대 잡음비 향상을 위해 내부 누화를 최소화하기 위해 광 배리어를 포함하고 있다. 특정 파장대 광 투과 흡수 스펙트럼 등을 조사하여 측정할 수 있다(도 9참조 ). 산소포화도는 혈액 내 산소와 결합한 헤모글로빈의 양이 전체 헤모글로빈의 양에서 차지하는 비율을 백분율로 표시될 수 있다.

SFH 7050 센서로 측정 가능한 응용으로 심장 박동만 측정(heart rate only - Green LED 이용)하거나 또는, 심장 박동과 산소포화도(heart rate + pulse oximetry- RED + IR LED 이용) 측정하는 방법 등이 있을 수 있다.

혈액의 흡수 행동, 더욱 엄밀하게 말하면 혈액 색소 헤모글로빈(Hb)의 흡수 행동은 산소 흡입량에 따라 다르다(산화 헤모글로빈, HbO2). 적색 및 적외선 광의 흡수를 측정하여 혈액의 산소 포화도를 결정할 수 있다.

SpO2 측정값 추정은 (AC 성분으로 언급되는) 신호의 변동과 (DC 성분으로 언급되는) 기준 값 사이의 관계에 의존한다. 산소 포화도 (SpO2) 계산은 Red 및 IR LED의 AC/DC 비율로 정의되는 ‘펄스 변조 비, R(Pulse Modulation ratio, R)’ 또는 "비의 비율(ratio of ratio) “의 계산에 기초한다(도 10참조 ).

R값 (R= [AC/DC] red / [AC/DC] IR )이 SpO2 추정에서의 변수이다. 계산을 위한 표준 모델은 다음(예, SpO2 = 110 - R* 25)으로 정의된다. 이 모델은 의료 장비에서 주로 사용된다. 그러나. 이러한 선형적인 근사치가 합리적인 결과를 제공하는 것을 확신하는 요소는 사용되는 캘리브레이션 커브에 의존할 수 있다.

SpO2 센서 모듈에서, 심박과 산소포화도가 모두 측정 가능하다. Green LED를 통해 심박수가 측정 가능하고, Red LED와 IR을 통해 산소포화도 측정이 가능하다. 측정된 값은 AFE 4403 모듈을 통하여 SPI방식으로 MCU메모리에 저장된다. 저장된 값은 SPI 방식을 통하여 OLED 액정에 표시하거나, 또는 BLE 모듈로 전송하여 스마트폰 앱에 표시할 수도 있다.

<손떨림 측정>

자이로센서(MPU-9250)에서 손떨림 진동수를 측정 가능하다. 손떨림 측정을 통하여, 어느 수준의 파킨슨병 예후를 예측하는데 사용될 수 있다. 손떨림은 x, y, z축의 변화량으로 측정식(예, x변위+y변위+z변위/3 등)을 유도할 수 있다. 좌우, 상하로 떨림 방향에 대한 예측이 가능하다. 측정된 값은 I2C방식으로 MCU 메모리에 저장된다. 저장된 값은 SPI 방식을 통하여 OLED 액정에 표시하거나, 또는 BLE 모듈로 전송하여 스마트폰 앱에 표시할 수도 있다.

사용자에게 검지 끝을 사용하여 20초동안 본 발명의 장치 상단면을 터치 시킨다. 완료된 후에, 저장된 터치수와 간격을 분석한다. 터치 수 및 간격에 대한 분석 후, 손떨림의 증상 경중을 액정 화면에 표시한다. 파슨킨 병 환자는 안정떨림의 형태이며, 떨림의 빈도는 4-6Hz 정도인 느린 떨림일 수 있다(도 11참조).

사용자는 의자에 앉아, 20초 동안 손에 본 발명의 장치를 쥐고 무릎에 손을 올려놓은 상태로 유지한다. 이때 헬스기기를 이용하여 떨림 빈도수와 떨림 간격을 측정한다. 이때 임계치 이상을 보이면 파킨슨병 증상으로 파악한다. 20초 후에는 기기를 손에 쥔 채로 양팔을 가슴 앞으로 뻗어 떨림이 있는지는 관찰한다. 이때 떨림 패턴이 10-20여초간 없다가, 다시 발생하면, 파킨슨병 증상으로 파악한다.

이와 같이 측정된 데이터를 체온, 심박수, 산소포화도, 손떨림 등의 각 데이터 별로 수치 환산하여 표시하여 사용자에게 제공할 수 있다(도 12참조). 이를 통해 사용자의 개인건강 데이터를 지속적으로 측정, 관찰, 및 분석하여 사용자에게 올바른 대처를 유도할 수 있고 보다 용이하게 건강한 생활이 가능하도록 유도할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적이 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

각 도면에 기재된 명칭으로 대신함

Claims

사용자의 생체신호를 감지하는 복수 개의 감지센서를 포함하고, 상기 감지센서가 감지한 감지신호로부터 사용자의 체온, 심박수, 혈중 산소포화도, 손떨림을 포함하는 생체데이터를 측정하여 사용자에게 제공하며,
통합보드PCB, 체온센서 모듈, 산소포화도(SpO₂)센서 모듈, 블루투스 모듈, 베이스보드, 및 상기 베이스보드 내 자이로센서를 포함하는 모듈화된 구조로 이루어지고,
상기 체온센서 모듈은 적외선센서로 상기 체온을 비접촉식으로 측정하고,
상기 산소포화도센서 모듈은 광파장이 서로 다른 그린LED, 레드LED, 적외선LED 및 포토다이오드로 광 투과 흡수 스펙트럼을 조사하여 상기 심박수 및 상기 혈중 산소포화도를 채혈 없이 측정하며,
상기 자이로센서에서 상기 손떨림을 상기 사용자의 터치로부터 x축, y축, z축의 변화량으로 측정하되,
상기 산소포화도센서 모듈은,
상기 그린LED로 상기 심박수를 측정하되 광전류의 교류(AC) 성분의 주기성으로부터 상기 심박수를 측정하며,
상기 레드LED 및 상기 적외선LED로 상기 혈중 산소포화도를 측정하되 각 LED의 광전류의 직류(DC) 성분에 대한 교류(AC) 성분의 비의 비율을 계산하여 상기 혈중 산소포화도를 측정하는 휴대용 개인건강 관리장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 손떨림은 상기 사용자와의 접촉으로 단위 시간 당 감지된 상기 x축, y축, z축의 신체 변위신호를 임계값과 비교하여 측정하는 휴대용 개인건강 관리장치.