KR101956009B1 - LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템에 관한 것으로, 미러와 이미지 프로세싱을 이용하는 비접촉식방식이며, 환자에 대해 3차원적인 형상과 치수를 측정하는 라이다 센서와; 상기 라이다 센서를 통해 수신된 환자의 위치 이동에 따른 형상정보를 3차원의 좌표값 데이터로 스캔하여 정합시키는 스캔 스테이션과; 상기 스캔 스테이션에서 정합된 환자의 위치 이동에 따른 형상정보인 3차원 좌표값에 포함된 간섭과 노이즈를 제거하는 필터와; 상기 필터에서 필터링 된 3차원 좌표값에 대해 파장별 반사 신호의 세기 및 측정지점의 3차원 위치 좌표 정보를 결정하고 객체와 지표를 분류하며 객체를 정밀하게 인식하여 객체의 이동에 따른 정확한 위치를 추적한 후, 이를 관리센터의 모니터로 전송하는 위치 추적 장치를 구성함으로써, 종래와 같은 카메라를 통한 영상 시스템 방식과 달리 환자의 사생활이나 프라이버시를 전혀 침해하지 않고서도 환자를 용이하게 관리할 수 있는 독특한 효과가 있다.

Description

LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템{Location Tracking System of the Patient using LiDAR}

본 발명은 환자 관리용 시스템에 관한 것으로서, 특히 LiDAR 센서와 3D데이터를 이용해 환자의 위치를 추정함으로써, 환자의 낙상이나 배회를 용이하게 파악할 수 있도록 한 LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템에 관한 것이다.

최근, ICT(Information & Communication Technology)기술의 발전과 고령화, 소득증대 등의 시대 흐름에 따라 헬스 케어(Health Care)와 실버 케어(Silver Care) 산업이 급성장세를 보이고 있다. 과거 헬스 케어 산업이 특정 환자에 대한 치료 중심이었다면, 이제는 환자 맞춤방식으로 관리를 통해 예방하는 영역으로 확대되고 있다.

이러한 양상은 입원 환자들의 낙상 위험 요인 및 낙상 위험도 평가 보고서에서 잘 나타나고 있다.

2013년 우리나라 성인간호학회지에 실린 ‘종합병원 입원 환자의 낙상 위험 요인 및 낙상 위험도 평가’에 따르면, 2010년 1월부터 12월까지 서울 소재 3차 종합병원 전체 입원 환자 중 낙상이 발생한 장소는 병실이 가장 많았고, 다음으로 화장실 관련 낙상으로 나타났다. 낙상이 발생한 상황은 침대에서 낙상한 경우와, 보행 시 미끄러지거나 넘어지는 경우, 기타 유형순 이었다. 특히 간병인이나 간호사의 손길이 절대 부족한 00:01~06:00 시간대에 낙상이 가장 많이 발생한 점을 감안하면 낙상방지에 관한 시스템의 도입이 시급함을 알 수 있다.

또한, <공학연구 : 36권0호(2005),pp.1-7> 논문에 따르면, 요양병원 또는 병원 등에서 거동이 불편한 환자가 낙상하여 부상하거나 사망하는 사례가 늘어나고 있다고 한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 환자의 상태를 모니터링 하여 각종 사고를 예방할 수 있는 시스템들이 제안되고 있다.

예컨대, [1]라즈베리파이(Rasberry Pi) 임베디드 시스템에 연결된 카메라로 환자의 현재 자세를 촬영하고, 촬영된 데이터를 영상처리를 통해 환자의 자세를 판단하고, 기존에 학습된 데이터를 바탕으로 낙상, 이탈 등의 이상 징후를 스스로 판단하여 와이파이(Wi-Fi) 통신을 통해 현재 환자의 상태와 위험신호를 병원 관계자에게 전송함으로서 사고를 예방할 수 있는 시스템이다. [2]낙상방지시스템 관련 특허기술로는, 한국 등록특허공보 제10-1096242호(2011년)의 환자의 침대 매트 하부에 설치된 압력패드를 이용한 낙상 환자 감시시스템을 통해 신호를 중계기로 전송하고 중계기에서는 관리자 단말기로 전송하는 기술이 제안된 바 있다. [3]미국특허공보 제8,106,782호(2012년)에는 환자가 침대에 들어가는 것과 이탈하는 것을 인지하는 광학센서(카메라)의 이미지 처리과정을 통해 노인의 낙상예측과 침대의 이탈여부를 감지하고 잘못된 알람 발생을 줄이기 위해서는 낙상 후 일정시간 동안 카운터 다운을 수행 후 알람 송신하도록 하는 기술이 제안된 바 있다.

그러나, 상기 [1]의 기술은 환자의 현재 자세를 카메라를 통해 직접 촬영하기 때문에 환자의 사생활이나 프라이버시를 침해할 우려가 매우 높으며, 상기 [2]의 국내 특허기술은 환자의 움직임에 따른 잦은 접촉과 비접촉으로 인한 에러 발생률이 매우 높을 뿐만 아니라, 환자관리에 따른 간호 업무가 크게 낭비되고, 상기 [3]의 미국 특허기술은 환자가 침대에 들어가는 것과 이탈하는 것을 인지하기 위해서는 일정시간 카운터 다운을 실행한 후 알람 송신함으로써, 거동이 불편한 환자의 즉각적인 대응력이 낮고 낙상문제를 근원적으로 해결할 수 없는 문제점이 여전히 남아 있다.

따라서, 본 발명은 위에서 언급된 문제점들을 해결하고자 LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템을 제안하고자 한다.

본 발명의 목적은, 환자가 생활하는 병실 또는 복도의 천장에 설치된 회전하는 LiDAR 센서를 통해 검출된 3D데이터를 이용하여 실내 공간에서 움직이는 객체 또는 환자의 위치를 추정하여 관리센터로 전송함으로써, 환자의 낙상이나 배회를 용이하게 파악할 수 있도록 한 LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템을 제공한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 미러(Mirror)와 이미지 프로세싱(Image Processing)을 이용하는 비접촉식방식이며, 천장에 부착되어 회전하면서 환자에 대해 3차원적인 형상과 치수(Dimension)를 측정함과 동시에 텍스쳐 맵핑(Texture Mapping)으로 색상정보(Texture)를 취득하는 라이다(LiDAR) 센서(100)와; 상기 라이다 센서(100)를 통해 수신된 환자의 위치 이동에 따른 형상정보를 3차원의 좌표값 데이터로 스캔하여 정합시키는 스캔 스테이션(Scan Station, 200)과; 상기 스캔 스테이션(200)에서 정합된 환자의 위치 이동에 따른 형상정보인 3차원 좌표값에 포함된 간섭과 노이즈를 제거하는 필터(300)와; 상기 필터에서 필터링 된 3차원 좌표값에 대해 파장별 반사 신호의 세기 및 측정지점의 3차원 위치 좌표 정보를 결정하고 객체와 지표를 분류하며 객체를 정밀하게 인식하여 객체의 이동에 따른 정확한 위치를 추적한 후, 이를 관리센터(500)의 모니터로 전송하는 위치 추적 장치(400)가 구성되는 것을 특징으로 하는 LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템을 제공한다.

본 발명의 LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

환자가 생활하는 병실 또는 복도의 천장에 회전 감시하는 LiDAR센서를 통해 검출된 3D데이터를 이용하여 실내 공간에서 움직이는 객체 또는 환자의 위치를 추정하여 관리센터로 전송함으로써, 환자의 낙상이나 배회를 용이하게 파악할 수 있는 독특한 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 대한 낙상방지 시스템의 개략도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템에 대한 개념도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템에 대한 전체 구성도
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템에 대한 동작 플로워 챠트

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 하며 비록 종래기술과 동일한 부호가 표시되더라도 종래기술은 그 자체로 해석하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템에 대한 기술적 해결수단은, 크게 하나 이상의 라이다 센서(100)와, 스캔 스테이션(200), 필터(300), 위치 추적 장치(400) 및 관리센터(500)로 구성된다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템에 대한 개념도를 나타낸다.

도 2에서 보는 바와 같이, 하나 이상의 회전하는 라이다 센서(100)를 병원내의 천장에 부착하여 3차원 깊이 정보를 획득한다. 획득된 3차원 깊이 정보를 가지고 이동하는 환자를 추적하고, 환자의 위치 및 현재 상태를 추정하여 모니터 상에 표시함으로써, 종래와 같은 카메라를 통한 영상관리 시스템과 달리 환자의 사생활이나 프라이버시를 침해하지 않고서도 환자를 용이하게 관리할 수 있는 특징이 있다.

여기서, 라이다(LIDAR, Light Detection And Ranging)는, 3차원레이저 빛을 이용하여 주변을 3D로 인식하는 것을 말한다. 즉, 라이다 센서는 전파 대신 레이저 빛을 환자의 주변에 조사시켜 환자에 대한 3차원 정보와 정확한 방향과 거리를 인식한다. 이러한 라이다는 음파보다 더욱 정확하고 거울의 회전을 이용하기 때문에 여러 방향을 한꺼번에 스캔할 수 있다.

도 3을 참조하여, 상기 라이다(LiDAR) 센서(100)는, 미러(Mirror)와 이미지 프로세싱(Image Processing)을 이용하는 비접촉식방식이며, 환자에 대해 3차원적인 형상과 치수(Dimension)를 측정하는 수단으로, 임의의 환자에 대한 형상의 좌표를 취득할 수 있으며, 특성에 따라 색상정보(Texture)를 동시에 취득 할 수도 있다. 일반적으로 사용되는 스캐너는 2차원적인 그림이나 문서를 복사하는 기계인 반면에 라이다는 환자의 3차원적인 형상과 치수(Dimension)를 측정할 수 있는 장치를 말한다.

여기서, 상기 색상정보(Texture)는 텍스쳐 맵핑(Texture Mapping)으로 주로 3D프로그램에서 사용하는 용어이다. 보통 처음에 3D로 모델링을 하면 회색으로 밖에 보이지 않지만 모델링에 색이나 질감을 넣는 것을 말한다.

이러한 3차원의 라이다 센서(100)는 측정 시 환자와의 접촉 여부에 따라 접촉식과 비 접촉식으로 나눌 수 있다. 접촉식이란 사물, 즉 환자의 표면과 직접 접촉하여 센서의 상대이동 값을 변환하여 환자의 3차원 좌표값을 획득하는 방식이며, 비접촉식이란 광학적 원리와 이미지 프로세싱을 이용하여 환자와 직접적인 접촉을 하지 않고 환자의 형상정보를 획득하는 방식이다. 따라서 본 발명에서는 3차원의 라이다 센서를 이용한 미러(Mirror)와 이미지 프로세싱(Image Processing)을 이용하는 비접촉식을 채택한다.

상기 스캔 스테이션(Scan Station, 200)은, 상기 라이다 센서(100)를 통해 수신된 환자의 위치 이동에 따른 형상정보를 3차원의 좌표값 데이터로 스캔하여 정합시키는 수단으로, 상기 라이다 센서(100)에서 레이저 빔(Laser beam)을 환자를 향해서 발사하면, 그 빔은 환자에서 반사되어 다시 라이다 센서(100)로 되돌아온다. 라이다 센서(100)는 빔이 발사되어 돌아오는 시간을 계산하여 스캐너와 환자와의 거리를 측정한다. 라이다 센서의 측정되는 영역은 일반적으로 100m 이상이며 측정 속도는 1,000,000 point/sec 이상이다. 또한, 측정에 따른 정확도는 50m 거리에서 3mm 이하, 스캔 각도는 수직 0°~270°이상과 수평 0°~ 360°이다. 그리고 라이다 센서는 1초에 레이저 빔을 약 50,000회 발사하므로 수분이면 환자 표면 전체에 레이저를 발사할 수 있고, 환자의 형상을 3차원 데이터로 얻어낼 수 있다. 단, 레이저는 직진성을 가지므로 보이지 않는 면은 측정할 수 없다. 따라서 사전 계획 및 필요에 따라 환자를 여러 방향에서 미러(Mirror)를 통해 스캔하여 전체의 데이터를 취득할 수 있다.

특히, 본 발명의 실시 예에 따른 라이다(LiDAR) 센서(100)로 관측대상물(혹은 환자의 위치 이동상태)에 폐색지역이 발생하지 않도록 사전에 계획한 관측점을 기준으로 스캔할 필요가 있다. 다시 말해서 최적의 데이터를 취득하기 위해 스캔 범위(Scan Range)를 평균 1cm로 정밀하게 스캔 데이터의 정합(Registration)이 요구된다.

여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 스캔 데이터의 정합(Registration)은 상기 라이다 센서(100)가 설치된 각각의 지점에서 스캔된 데이터를 점군데이터(Point Cloud data)의 형태로 취득한다. 스캔 대상지의 범위에 따라 각각의 취득데이터를 하나로 결합하는 과정이 필요하게 되는데 이 과정이 정합(Registration)이다.

도 3을 참조하여, 상기 필터(300)는, 상기 스캔 스테이션(200)을 통해 스캔된 환자의 위치 이동에 따른 형상정보인 3차원 좌표값에 포함된 간섭과 노이즈를 제거하는 수단이다.

도 3을 참조하여, 상기 위치 추적 장치(400)는, 상기 필터를 통해 간섭 및 노이즈가 제거된 환자의 위치 이동에 따른 형상정보인 3차원 좌표값에 대해 파장별 반사 신호의 세기 및 측정지점의 3차원 위치 좌표 정보를 결정한다. 또한 객체와 지표를 분류하여 객체를 정밀하게 인식하여 객체의 이동에 따른 정확한 위치를 추적하는 수단이다. 또한, 환자의 위치를 추적한 데이터를 관리센터(500)의 모니터로 전송하게 된다.

도 3을 참조하여, 상기 관리센터(500)는, 요양병원이나 일반 병원 등의 환자를 보호 및 관리하기 위한 간호실이며, 상기 관리센터에는 상기 위치 추적 장치(400)로부터 전송된 환자의 위치 추적 데이터를 수신하여 모니터 상에 표시된다.

또한, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템에 대한 동작 플로워 챠트를 도시한 것으로, 각 구성수단에서 상술한 바와 같이 lidar 신호 수신, 간섭 및 노이즈 제거, 파장별 반사신호 세기 및 측정지점의 3차원 위치좌표 정보 결정, 객체와 지표를 분류, 객체 인식, 객체 위치 추적 및 관리센터 모니터로 표시 순으로 진행됨을 플로워 챠트로 나타낸 것이다.

이와 같이, 본 발명의 LiDAR(Light Detection And Ranging)를 이용한 환자의 위치추적 시스템은 3차원 스캔이 가능한 라이다 센서(100)를 통해 스캔된 병원내의 환자의 위치 이동에 따른 형상정보인 3차원 좌표값에 대해 파장별 반사 신호의 세기 및 측정지점의 3차원 위치 좌표 정보를 통해 병원내의 환자 위치 및 현재 상태를 추정하여 모니터 상에 표시함으로써, 종래와 같은 카메라를 통한 영상 시스템 방식과 달리 환자의 사생활이나 프라이버시를 전혀 침해하지 않고서도 환자를 용이하게 관리할 수 있는 독특한 특징이 있다고 할 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 라이다 센서 200 : 스캔 스테이션
300 : 필터 400 : 위치 추적 장치
500 : 관리센터

Claims (2)

1. 미러(Mirror)와 이미지 프로세싱(Image Processing)을 이용하는 비접촉식방식이며, 천장에 부착되어 회전하면서 환자에 대해 3차원적인 형상과 치수(Dimension)를 측정함과 동시에 텍스쳐 맵핑(Texture Mapping)으로 색상정보(Texture)를 취득하는 라이다(LiDAR) 센서(100)와;
   상기 라이다 센서(100)를 통해 수신된 환자의 위치 이동에 따른 형상정보를 3차원의 좌표값 데이터로 스캔하여 정합시키는 스캔 스테이션(Scan Station, 200)과;
   상기 스캔 스테이션(200)에서 정합된 환자의 위치 이동에 따른 형상정보인 3차원 좌표값에 포함된 간섭과 노이즈를 제거하는 필터(300)와;
   상기 필터에서 필터링 된 3차원 좌표값에 대해 파장별 반사 신호의 세기 및 측정지점의 3차원 위치 좌표 정보를 결정하고 객체와 지표를 분류하며 객체를 정밀하게 인식하여 객체의 이동에 따른 정확한 위치를 추적한 후, 이를 관리센터(500)의 모니터로 전송하는 위치 추적 장치(400)가 구성되는 것을 특징으로 하는 LiDAR를 이용한 환자의 위치추적 시스템.
   
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