KR101918629B1 - 전자식 수면 보조장치 - Google Patents

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Abstract

전자식 수면 보조장치는 수면 중인 영/유아에게서 발생하는 음향 신호 및 움직임 신호를 감지하는 센서부와 음향 감지센서의 탈수면 음향 한계값(Threshold) 설정 및 구동장치의 구동시간 설정을 담당하는 환경설정부, 그리고 센서부에서 측정된 신호를 수신하고 환경설정부의 값과 비교하여 수면 유도 이벤트를 위한 트리거 신호를 발생시키는 마이크로컨트롤러, 마이크로컨트롤러에서 발생된 트리거 신호를 통해 수면 유도 이벤트를 실시하는 구동장치로 구성되며, 센서부는 주변 음향을 측정할 수 있는 음향 감지센서, 움직임을 측정할 수 있는 움직임 감지센서로 구성되고, 환경설정부는 음향 감지센서에 대해 수면 상태와 탈수면 상태를 구분하는 탈수면 음향 한계값을 설정하는 음향 감지센서 설정장치와 구동장치의 구동시간을 설정하는 구동장치 설정장치로 구성되며, 구동장치는 바람을 일으킬 수 있는 날개, 프로펠러 등이 부착된 모터를 포함한다.
센서부의 음향 감지센서와 움직임 감지센서는 각각 독립적으로 수면상태 신호를 감시할 수 있으며, 마이크로컨트롤러는 전자식 수면 보조장치의 음향 감지센서 및 움직임 감지센서 중 적어도 한 개 이상의 센서에서 수면상태 신호를 감지하고, 사용자가 환경설정부의 음향 감지센서 설정장치를 통해 기설정한 탈수면 음향 한계값 이상의 신호를 입력받거나, 움직임 감지센서를 통해 특정값 이상의 움직임 신호를 입력받으면 사용자(부모)가 환경설정부의 구동장치 설정장치를 통해 기설정한 구동장치 작동시간 동안의 수면 유도 이벤트 신호 발생 제어를 수행한다.

Description

전자식 수면 보조장치 {Electronic Sleep Aid Device}
본 명세서는 전자식 수면 보조장치에 관한 것이다.
영/유아 수면 장애는 부모들에게 많은 육아 스트레스와 피로감을 준다. 생후 첫 달 동안 아기들은 평균적으로 매일 밤 두 세 번 이상 깬다. 영/유아기의 아기는 낮잠 또는 밤잠에서 자주 깨거나 수면에 들지 못하기도 하는데, 신생아 6명 중 1명은 수면 및 울음 문제로 진단받기 위해 의사를 찾는다.
부모들은 아기가 수면 중일 때 업무, 가사노동, 또는 휴식을 취하곤 하는데, 잠에 들지 못하거나 연속적인 수면을 취하지 못하는 등 수면장애가 있는 아기는 부모에게 육아 피로 및 스트레스를 주게 되어 아기에 대한 분노를 일으키거나 후유증으로 인한 업무능력 감소로 이어지곤 한다. 이는 산후 우울증(모든 어머니의 약 15%, 그리고 배우자의 약 25% 내지 50%가 이로 인해 영향을 받는다), 수유 실패, 아동 학대와 방치, 자살, SIDS(Sudden Infant Death Syndrome, 유아급사증후군)/질식, 모계 비만, 흡연, 지나치게 잦은 병원 진료, 아기에 대한 지나친 약물 치료, 자동차 사고, 역기능적 구속감, 그리고 유아 비만을 포함한 일련의 심각하거나 치명적인 건강상의 후유증을 일으키는 주요 원인으로 알려져 있으며, 부모뿐만 아니라 아기의 정서적인 문제를 야기하여 악순환이 계속되기도 한다.
전통적으로 영/유아기의 아기를 재우기 위해서는 아기를 포대기로 단단히 감싸기, 토닥거려 주기, 리듬감 있게 흔들기, 부채 또는 모터장치 따위로 바람을 일으키기, 그리고 우는 아기를 달래고 잠이 들게 하거나 유지시키기 위한 특정한 음악, 소리 들려주기가 포함된다. 이러한 행위들은 아기가 익숙한 자궁 내 감각 환경을 재현하여 잇단 뇌간 반사(Brainstem Reflex), 즉 진정 반사(Calming Reflex)를 작동시킨다. 실제 이러한 행위들은 의식이 있는 아기를 재우기 위한 수단으로 사용되기도 하지만, 잠을 자다 깬 아기에게도 효과적으로 적용된다.
특정한 주파수 대역의 소리, 진동은 아기가 자궁 속에 있을 때 듣고 느끼는 소리를 재현할 수 있는데, 이것은 자궁과 복강 내 혈관을 통해 흐르는 혈액의 움직임이 만들어 내는 것으로 자궁 내에서 아기들이 듣는 소음 수준은 72 내지 92dB 사이로 계측된다고 알려져 있다.
모든 아기들에게는 각각에게 진정 반사를 가장 효과적으로 일으키는 소리와 진동의 고유의 혼합비가 있다. 이 혼합비는 생후 첫 달 동안 일관되게 지속되는데, 진정 반사에는 다음과 같이 몇 가지 특성이 있다. 진정 반사 작용은 흔히 있는 감각적 자극에 의해 발생되며, 흔히 있는 행동표출로 나타난다. 또한 그것은 어떤 역치(Threshold Value)를 갖는데(너무 약한 자극은 반응을 이끌어내기에 충분하지 않음을 의미함), 아기마다 그 수치가 다르고(즉, 아기에 따라 높기도 하고 낮기도 함), 상태마다 다르다(주변의 소란스러움이나 아기의 울음이 역치를 뛰어넘어 반사 활성화를 가져오는데 필요한 자극 수준을 상승시킴).
진정 반사가 촉발된 아기는 이윽고 수면에 들게 되는데, 수면 중에 외부적인 요인(소음, 충격 등)으로 인해 진정 반사에서 빠져나오거나 진정 반사 상태에 익숙하지 않은 아기 스스로 진정 반사 상태에서 빠져나오는 경우가 발생한다. 이 경우, 아기는 움직임이나 소리를 통해 잠에서 깨려는 탈수면 신호를 발생시키므로, 이 신호를 발견한 부모는 아기의 수면을 유지시키기 위해 신속히 다가가 토닥거려 주거나 부채, 선풍기 따위로 바람을 일으키거나, 특정한 음악, 소리를 들려주어 다시금 수면에 들게 한다.
지난 수십 년 동안 영/유아의 수면을 돕기 위한 장치를 만들기 위해 소리와 동작 등 물리적인 요소를 발생시킬 수 있는 여러 가지 기술적 방법과 장치들이 고안되었다. 자장가, 음악을 틀어 아기를 진정시키는 간단하고 전통적인 방법부터, 특정 음악과 움직임을 반복하는 모빌을 이용하는 방법, 요람이나 해먹에 아기를 태우는 방법, 나아가 머리와 발을 하나의 축으로 하여 포물선을 그리며 잠든 아기의 수면을 유지시킬 수 있는 모터가 달린 요람장치, 스피커나 진동모터가 달린 침대장치 등이 있다.
인력을 이용해 특정한 음악, 소리를 들려주는 바람을 일으키는 방법은 일회적이고 소모적이다. 주변 온도 환기를 위해 타이머가 설치된 회전하는 선풍기를 잠시 켜놓는 방법도 고려할 수 있으나, 해당 선풍기가 꺼진 후에는 효과가 없거나 너무 오래 켜놓아 아기의 건강을 해칠 수 있다는 단점이 있다. 요람과 해먹은 부모가 힘을 가해야 움직이므로 제한된 수면시간 동안에만 사용할 수 있으며, 모터가 달린 요람장치와 같이 센서 피드백을 활용한 자동적인 물리 시스템의 경우, 아기의 과도한 움직임으로 인해 땅으로 떨어지거나, 수면 중 자세의 변화로 인해 엎드린 자세에서의 SIDS 발생 위협을 서너 배 증가시키는 등 치명적인 부작용이 발생한다. 앞서 살펴본 전통적인 방법과 현존하는 다른 영/유아용 수면 보조장치들은 스피커를 통해 인위적이고 고정적인 소리를 발생시키거나, 일차원적인 감각을 형성시켜 진정시키거나, 이차원적인 감각을 형성시키지만 간혹 아주 위험한 상황을 만들 수 있는 개연성이 높다.
기 언급된 문제점들을 극복하거나 최소화하며, 이에 따라 공기를 타고 전달되는 공기음 뿐만 아니라 진공청소기와 같이 바닥을 타고 전달되는 구조적인 소음을 일으켜 스피커에서 전기적으로만 발생하는 인위적인 백색잡음이 아닌, 실제 물리 시스템으로 직접 백색잡음을 구현하고, 구동장치의 모터에 달린 날개가 일으키는 바람으로 인한 온도 변화를 통해 복합적인 수면 안정화를 유도하여 다시 진정반사를 촉발시키도록 돕는 전자식 수면 보조장치를 제공함에 그 목적이 있다. 또한 대상 영/유아의 특성을 잘 이해하고 있는 사용자(부모)가 수면 유도 이벤트의 지속시간을 조절하여 개별적으로 역치가 다른 임의의 영/유아들에 대해 그 효과를 극대화 할 수 있다.
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이 발명은 센서로 수면 중인 영/유아의 수면 상태를 감시하고, 수면 상태에서 깨어나려고 하는 신호를 센싱하여 날개 또는 프로펠러가 부착된 구동장치를 작동시켜 공기음/구조음과 바람을 통한 수면 유도 이벤트를 발생시키는 전자식 수면 보조장치와 그 방법에 초점을 두고 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전자식 수면 보조장치는, 수면 중인 영/유아를 대상으로 서로 독립적인 2가지 이상의 수면상태 신호를 센서부를 통해 감시한다. 음향 감지센서를 통해 측정한 값(Nraw(i))에 N-이동평균필터를 적용한 이동평균 음향 레벨(Nav(j))이 사용자가 환경설정부의 음향 감지센서 설정장치를 통해 마이크로컨트롤러에 기록한 탈수면 음향 한계값(Nth) 이상인 경우이거나, 움직임 센서를 통해 측정한 값(Kraw(m))에 K-이동평균필터를 적용한 이동평균 움직임 레벨(Kav(n)) 보다 현재 움직임 측정값(Kraw(m‘))이 특정값(이동평균 움직임 레벨±P%) 이상이 되면, 사용자가 환경설정부를 통해 마이크로컨트롤러에 기록한 구동장치 설정상태를 토대로 수면 유도 이벤트를 실시하는 구동장치를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전자식 수면 보조장치는, 충분한 수면을 취하지 못하고 깨어나려는 영/유아에게 구동장치가 일으키는 바람 및 백색소음 성분이 포함된 공기음/구조음 등 공감각적 수면 유도 이벤트를 발생시켜 영/유아의 진정 반사를 이끌어 내어 다시 수면에 들도록 돕는다. 수면 중이던 영/유아가 잠에서 깨려는 순간 발생하는 신호를 센싱하여 즉각적으로 수면 유도 이벤트를 발생시키므로, 영/유아를 진정시켜 다시 수면에 들도록 대응하는 시간이 굉장히 짧다는 장점이 있다. 본 전자식 수면 보조장치는 생후 5년 미만의 수면 중인 영/유아가 잠에서 깨어나려고 할 때 수면 유도 이벤트를 통해 진정반사를 촉발시켜 영/유아의 계속 수면 능력을 향상시키고 수면 장애로 인한 부모의 육아 스트레스를 완화하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 수면 보조장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로컨트롤러의 작동 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 구동장치 회로도이다.
본 발명은 수면 중이거나 잠에서 깨어나려고 하는 영/유아가 발생시키는 음향, 움직임 신호를 분석하여 수면상태 신호와 탈수면 신호로 구분하고, 이를 통해 수면 중일 때와 수면상태에서 벗어나려는 시점을 마이크로컨트롤러에서 판단하여 구동장치 작동을 통해 수면 유도 이벤트를 발생시켜 계속 수면을 유지할 수 있는 효과를 내는 시스템으로, 개별적인 영/유아의 역치를 감안하여 사용자(부모)가 구동장치의 1회 작동시간을 조절할 수 있도록 구성하였다. 개별적인 영/유아의 역치는 구동장치 작동시간과도 연관되지만, 구동장치가 일으키는 공기음/구조음 및 바람에 의한 수면 유도 이벤트 강도(Strength)에도 영향을 받는다. 다만, 이는 전자식 수면 보조장치의 위치를 조절하여 거리 차이를 통한 수면 유도 이벤트 강도를 조절할 수 있으므로, 이에 대해서는 별도 언급을 하지 않는다.
본 발명에서는 주변 소음레벨에 대해 사용자(부모)가 설정한 특정값 이상의 음향신호가 발생하거나, 영/유아의 몸에 밀착된 임의의 영역 또는 영/유아 몸에서 가까운 어떤 영역에 놓인 움직임 감지센서로 측정된 주변 움직임 레벨에서 특정값(이동평균 움직임 레벨±P%) 이상의 값이 발생했을 때의 경우들을 탈수면 신호가 발생한 것으로 판단한다. 음향 신호는 주변의 환경에 영향을 많이 받으므로 주변의 환경이나 수면 중인 영/유아의 특성을 잘알고있는 사용자(부모)가 작동 한계값을 설정할 수 있도록 구성하였고, 움직임 신호는 음향 신호에 비해 영/유아의 몸에 밀착 또는 가까운 곳에 위치하여 음향 신호에 비해 측정 영역이 한정적이므로 주변 움직임 레벨에 대해 특정값(이동평균 움직임 레벨±P%) 이상 값을 작동 한계값으로 설정하였다.
도 1은 본 발명에 의한 전자식 수면 보조장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 전자식 수면 보조장치는 센서부, 환경설정부, 마이크로컨트롤러, 구동장치를 포함한다.
도 2는 본 발명에 의한 전자식 수면 보조장치의 일 실시예를 설명하는 작동 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 전자식 수면 보조장치는 사용자의 사전 환경설정 단계를 거쳐 수면상태 감시모드로 전환되고, 상기 수면상태 감시모드에서 대상 영/유아의 탈수면 신호가 입력되면 상기 설정된 구동장치 작동시간을 확인하며, 상기 확인된 구동장치 작동시간에 대응되는 시간 동안 구동장치를 작동시켜 수면 유도 이벤트를 제어한다.
도 2를 참조하면, 대상 영/유아의 탈수면 신호를 측정하기 위한 센서 중 음향 감지센서의 탈수면 음향 한계값(Nth)을 사용자가 설정할 수 있으며, 구동장치의 1회 작동시간을 사용자가 설정할 수 있다(단계 S1).
음향 감지센서 설정장치의 가변저항을 사용자가 조절하여 조절된 저항값 변화에 따른 아날로그 값이 마이크로컨트롤러의 A3 단자로 입력된다. 이 아날로그 값은 음향 감지센서의 음향 측정값(Nraw(i))에 대응되는 특정한 값이며, 이는 음향 감지센서의 탈수면 음향 한계값(Nth)으로 적용되며, 마이크로컨트롤러의 메모리에 기록된다(단계 S2)
구동장치 설정장치의 가변저항을 사용자가 조절하여 조절된 저항값 변화에 따른 아날로그 값이 마이크로컨트롤러의 A4 단자로 입력된다. 이 아날로그 값은 구동장치의 구동시간에 대응되는 특정한 값으로 마이크로컨트롤러의 D0 단자의 HIGH 신호 출력시간과 동일하며, 이는 마이크로컨트롤러의 메모리에 기록된다(단계 S3).
환경설정에 대한 확인과 기록이 끝나면 전자식 수면 보조장치는 수면상태 감시모드에 진입하게 된다. 센서부의 음향 감지센서와 움직임 감지센서의 출력을 각각 마이크로컨트롤러의 A0와 A1, A2 단자를 통해 감시하며, A0 단자로 입력되는 음향 감지센서 측정값(Nraw(i))을 N-이동평균필터에 통과시켜 이동평균 음향 레벨(Nav(j))을 산출하고, 이동평균 음향 레벨(Nav(j))이 사용자(부모)가 음향 감지센서 설정장치를 통해 설정한 탈수면 음향 한계값(Nth) 이상이 될 때까지 지속적으로 수면상태 신호를 감시하고, A1 단자와 A2 단자로 입력되는 움직임 감지센서 측정값(Kraw(m))을 K-이동평균필터에 통과시켜 이동평균 움직임 레벨(Kav(n))을 산출하고, 산출된 이동평균 움직임 레벨(Kav(n)) 보다 현재 움직임 측정값(Kraw(m‘))이 특정값(이동평균 움직임 레벨±P%) 이상이 될 때까지 지속적으로 수면상태 신호를 감시한다(단계 S4).
수면 중인 영/유아로부터 탈수면 신호가 발생되었다고 판단되면 마이크로컨트롤러의 메모리에 기록된 구동장치 작동시간을 확인한다(단계 S5).
확인된 구동장치 작동시간 동안 마이크로컨트롤러의 D0 단자에 트리거 신호(HIGH 신호)를 인가하여 구동장치를 작동시킨다(단계 S6).
센서부는 영/유아의 움직임 여부 및 정도를 측정하기 위해 가속도 센서, 자이로스코프, 스트레인게이지 등 물리적 변위(Displacement)를 측정할 수 있는 움직임 감지센서와 주변에서 발생하는 소리의 크기를 측정할 수 있는 마이크로폰과 증폭기를 포함한 음향 감지센서로 구성되어 있으며, 모든 측정결과는 마이크로컨트롤러로 전달된다.
음향 감지센서는, 예를 들어 측정된 음향값(Nraw(i))들에 대해 N개의 샘플에 대해 이동평균을 취하는 N-이동평균필터를 적용하여 산출된 이동평균 음향 레벨(Nav(j))을 평균적인 주변 소음레벨로 보고, 그에 비해 소음 수준이 일정크기 이상 높아지는 경우를 탈수면 신호가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 이동평균 음향 레벨(Nav(j))에 대해 탈수면 신호로 판단되는 일정크기 이상의 소음 수준인 탈수면 음향 한계값(Nth)를 결정하는 것은 환경설정부의 음향 감지센서 설정장치의 가변저항 값이며, 마이크로컨트롤러의 A0 단자로 입력될 수 있다.
움직임 감지센서는 수면 중인 영/유아 신체와 가까운 곳에 설치하여 영/유아의 움직임을 직접 측정하거나, 영/유아의 움직임으로 인한 지면의 흔들림을 측정하며, 예를 들어 3축 가속도 센서의 서로 다른 2개 축에 대해 측정되는 각각의 현재 움직임 측정값이 K개의 샘플에 대해 이동평균을 취하는 K-이동평균필터를 거친 이동평균 움직임 레벨(Kav (n)) 보다 10% 이상 변화되면 움직임이 발생한 것으로 인지하여 탈수면 신호로 판단할 수 있다. 본 예시에서 가속도 센서 2개 축의 측정값은 각각 마이크로컨트롤러의 A1, A2 단자로 입력될 수 있다.
마이크로컨트롤러의 명령에 따라 구동장치가 수면 유도 이벤트를 발생 시킬 때에는 센서부의 현재 측정값에 영향 받지 않을 수 있다.
10 : 센서부
11 : 음향 감지센서
12 : 움직임 감지센서
20 : 환경설정부
21 : 음향 감지센서 설정장치
22 : 구동장치 설정장치
30 : 마이크로컨트롤러
40 : 구동장치

Claims (6)

  1. 수면 중인 영/유아에게서 발생하는 수면상태 신호를 감지하는 센서부;
    상기 센서부에서 측정된 신호를 수신하고 환경설정부의 값과 비교하여 수면 유도 이벤트를 위한 트리거 신호를 발생시키는 마이크로컨트롤러;
    바람을 일으킬 수 있는 날개 또는 프로펠러가 부착된 모터를 포함하는 구동장치 및
    상기 센서부의 한계값과 상기 구동장치의 구동시간 설정을 담당하는 환경설정부를 포함하여,
    상기 마이크로컨트롤러는, 상기 센서부가 음향 감지센서인 경우, 수면 중인 영/유아 주위의 음향 레벨을 측정하고 그 측정값에 N-이동평균필터(Moving Average Filter)를 적용한 이동평균 음향 레벨이 사용자(부모)가 음향 감지센서 설정장치를 통해 설정한 탈수면 음향 한계값 이상이 될 때 탈수면 신호 발생으로 판단하거나,
    상기 센서부가 움직임 감지센서인 경우, 수면 중인 영/유아 주위의 움직임을 측정하고 그 측정값에 K-이동평균필터를 적용한 이동평균 움직임 레벨에 비해 현재 움직임 측정값이 특정값(이동평균 움직임 레벨±P%) 이상이 될 때를 탈수면 신호로 판단하여,
    상기 환경설정부에서 설정한 구동시간으로 상기 구동장치를 작동시켜,
    상기 구동장치의 작동으로 발생되는 공기음/구조음 또는 바람을 통해 수면 유도 이벤트를 실시하여 수면 상태에서 빠져나오려는 영/유아를 진정시켜 다시 수면에 들도록 돕는 것을 특징으로 하는 전자식 수면 보조장치
  2. 1항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러는,
    A0, A1, A2, A3, A4의 5개 입력단자를 가지고, D0의 1개 출력단자를 가지며, 전원이 인가되면 환경설정부의 상태를 점검하는 단계로 전환되어 A3 단자의 가변저항 값을 읽어들여 음향 감지센서의 탈수면 음향 한계값을 마이크로컨트롤러 메모리에 기록하고, A4 단자의 가변저항 값을 읽어 들여 구동장치의 작동시간을 마이크로컨트롤러의 메모리에 기록하고, 일정시간 지연 후 A0 단자와 A1, A2 단자로 입력되는 수면상태 신호를 감시하는 수면상태 감시모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 전자식 수면 보조장치
  3. 1항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러는,
    수면상태 감시모드에서 탈수면 음향 한계값 또는 탈수면 움직임 한계값 이상의 신호가 입력되면 탈수면 신호가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전자식 수면 보조장치
  4. 1항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러는,
    탈수면 신호가 발생되면 D0 단자에서 HIGH 신호를 출력하여 구동장치 작동을 통해 수면 유도 이벤트를 실시하며, 구동장치 작동이 종료되면 D0 단자의 출력을 LOW 상태로 전환하여 수면상태 감시모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 전자식 수면 보조장치
  5. 삭제
  6. 1항에 있어서, 상기 구동장치는,
    마이크로컨트롤러의 출력신호(D0)가 트리거 신호가 되며, 트리거 신호가 발생하면 저항기(R1)를 거쳐 트랜지스터(Q1)를 작동시키고, 이에 따라 회로가 연결되어 날개가 부착된 구동장치 내의 모터(M)가 작동하여 공기음/구조음과 바람을 통한 수면 유도 이벤트를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전자식 수면 보조장치
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