KR102149089B1 - 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치 - Google Patents

움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 심전도, 맥파 등의 생체파를 이용한 심박수 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가속도(Accelerometer)센서 및 압력센서 중 어느 하나 이상에 의해 동작잡음을 측정하고, 가속도센서 및 압력센서에 의해 측정되는 동작잡음을 이용해 상기 생체파에 포함된 동작잡음을 제거하여 순수 생체파만을 추출하고, 순수 생체파에 의해 심박수를 측정하는 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치에 관한 것이다.

Description

움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치{Biometric wave based heart rate measurement apparatus using movement sensor}
본 발명은 심전도, 맥파 등(이하 상기 심전도 및 맥파 둘 모두를 포함하는 용어로"생체파"라는 용어를 사용함)을 이용한 심박수 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가속도(Accelerometer)센서 및 압력센서 중 어느 하나 이상에 의해 동작잡음을 측정하고, 가속도센서 및 압력센서에 의해 측정되는 동작잡음을 이용해 상기 생체파에 포함된 동작잡음을 제거하여 순수 생체파만을 추출하고, 순수 생체파에 의해 심박수를 측정하는 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치에 관한 것이다.
심박수(Heart Rate: HR)는 인체 건강정보 중 가장 기본이 되는 정보로서, 최근의 건강에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있는 상황에서 신체 변화를 모니터링할 수 있는 중요한 정보이다.
심박수란 심장의 박동 수를 말하는 것으로 보통 요골동맥에서 느끼는 맥박수와 일치한다.
따라서 심박수를 측정하기 위한 방식으로는 심장의 박동에 따라 심근에서 발생하는 활동전류에 따른 심전도(Electrocardiogram: ECG)를 이용하는 심전도 이용 측정 방식 및 요골동맥에서 흐르는 혈류에 의한 혈관 내의 압력에 따른 PPG(Photoplethysmogram: 광용적맥파, 이하 "맥파"라 함)를 이용하는 맥파 이용 측정 방식 등이 있다.
최근, 이러한 심전도 이용 방식 및 맥파 이용 측정 방식이 적용된 심박수 측정 장치들이 개발되어 상용화되고 있다. 심박수 측정장치는 밴드형, 시계형 등과 같이 사용자의 신체에 접촉할 수 있도록 다양한 형태로 구성된다.
이와 같이 심박수 측정장치는 사용자의 신체에 접촉되도록 구성되고, 사용자가 움직이고 있는 상황에서 심전도 및 맥파 중 어느 하나를 측정하여야 하므로 심전도 및 맥파에 움직임에 따른 잡음이 발생하여 심박수 측정 오류가 발생할 수 있는 문제점이 있었다.
즉, 정확성을 위해서는 사용자가 움직이지 않는 상태에서 심전도 및 맥파가 측정될 수 있도록 하여야 하나, 이는 최근 휴대용 및 운동용으로 지속적인 사용자의 심박수 측정을 요구하는 사용자 요구를 만족시킬 수 없는 문제점이 있었다.
등록특허공보 제10-1850803호(2018.04.20.공고)
따라서 본 발명의 목적은 가속도(Accelerometer)센서 및 압력센서 중 어느 하나 이상에 의해 동작잡음을 측정하고, 가속도센서 및 압력센서에 의해 측정되는 동작잡음을 이용해 상기 생체파에 포함된 동작잡음을 제거하여 순수 생체파만을 추출하고, 순수 생체파에 의해 심박수를 측정하는 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치는: 상기 동작잡음 검출부를 통해 획득된 동작잡음을 상기 저장부로부터 로드하여 출력하는 동작잡음 획득부; 상기 동작잡음 획득부에서 출력되는 동작잡음으로 상기 생체파 획득부로부터 출력되는 생체파에 포함된 동작잡음을 제거하여 출력하는 필터링부; 및 상기 동작잡음이 제거된 생체파에 의해 심박수를 계산하는 심박수 계산부를 포함하고, 상기 동작잡음 검출부는, 사용자의 움직임에 따른 움직임정보인 가속도를 측정하여 출력하는 가속도센서를 포함하는 가속도 측정부; 및 사용자의 근육의 미세 움직임에 따른 움직임정보인 압력을 측정하여 출력하는 압력센서를 포함하는 압력 측정부를 포함하고, 상기 제어부의 동작잡음 획득부는, 상기 가속도 및 압력 중 적어도 어느 하나 이상을 획득하여 상기 필터링부로 출력하며, 상기 필터링부는 입력되는 가속도 및 압력 중 어느 하나 이상에 의해 입력되는 생체파에서 동작잡음을 제거하여 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 생체파 측정부는, 상기 생체파로 사용자의 심전도를 측정한 심전도 파형을 출력하는 심전도 측정부; 및 상기 생체파로 사용자의 맥파 파형을 출력하는 맥파 측정부 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
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상기 압력센서는, 피에조 센서인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 방법은: 제어부가 생체파 측정부를 통해 사용자의 생체파를 획득하는 생체파 획득 과정; 상기 제어부가 상기 사용자의 움직임에 따른 동작잡음을 검출하는 동작잡음 검출 과정; 상기 제어부가 상기 동작잡음으로 상기 생체파를 필터링하여 상기 생체파에 포함된 동작잡음을 제거하는 동작잡음 제거 과정; 및 상기 제어부가 상기 동작잡음이 제거된 생체파에 의해 심박수를 측정하는 심박수 측정 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 생체파 획득 과정은, 상기 생체파로 상기 사용자의 심전도를 측정한 심전도 파형을 획득하는 심전도 파형 획득 단계; 및 상기 생체파로 상기 사용자의 맥파를 획득하는 맥파 획득 단계 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 동작잡음 검출 과정은, 상기 제어부가 가속도 측정부를 통해 사용자의 큰 동작에 따른 동작잡음으로 가속도를 검출하는 가속도 검출 단계; 및 상기 제어부가 압력 측정부의 피에조 센서를 통해 사용자의 미세 동작에 따른 압력을 동작잡음으로 검출하는 압력 검출 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 동작잡음 제거 과정은, 상기 가속도 검출 단계 및 압력 검출 단계 중 어느 하나 이상을 통해 가속도 및 압력 중 어느 하나 이상이 검출되는지를 판단하는 동작잡음 종류 판단 단계; 및 검출된 가속도 및 압력 중 어느 하나 이상의 동작잡음으로 상기 생체파를 필터링하는 필터링 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 움직임센서에 의한 심박수를 측정하는 사용자의 움직임에 따라 발생하는 동작잡음을 생체파로부터 제거할 수 있으므로 보다 정확한 심박수를 측정할 수 있는 효과를 갖는다.
특히, 본 발명은 가속도센서뿐만 아니라 압력센서를 사용하므로 사용자의 보다 미세한 동작에 의해 발생하는 미세 동작잡음까지 제거할 수 있으므로 보다 정확한 심박수를 측정할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 사용자의 손 움직임에 따른 동작잡음을 포함하는 생체파 및 동작잡음 제거에 따른 주파수 영역의 생체파 파형을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 사용자의 손가락 움직임에 따른 미세 동작잡음을 포함하는 생체파 및 동작잡음 제거에 따른 주파수 영역의 생체파 파형을 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치의 구성 및 동작을 상세히 설명하고, 상기 장치에서 심박수 측정 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치는 저장부(10), 디스플레이부(20), 입력부(30), 생체파 측정부(40), 동작잡음 검출부(50) 및 제어부(60)를 포함한다.
저장부(10)는 본 발명에 따른 심박수 측정 장치의 전반적인 동작을 제어하기 위한 제어프로그램을 저장하는 프로그램영역, 상기 제어프로그램 수행 중에 발생되는 데이터를 일시 저장하는 임시영역, 상기 제어프로그램 수행에 필요한 데이터 및 제어프로그램 수행 중에 발생되는 데이터를 반영구적으로 저장하는 데이터영역을 포함한다. 상기 임시영역은 생체파, 가속도 및 압력 등을 각각 버퍼링할 수 있는 영역을 포함할 수 있을 것이다. 또한, 상기 생체파, 가속도 및 압력은 데이터영역에 저장될 수도 있을 것이다.
디스플레이부(20)는 제어부(60)의 제어를 받아 다양한 정보를 텍스트, 아이콘을 포함하는 그래픽, 정지영상 및 동영상 중 어느 하나 이상으로 표시한다. 본 발명에 따라 상기 디스플레이부(20)는 필터링된 생체파가 표시될 수 있으며, 측정되는 심박수가 표시될 수도 있을 것이다.
입력부(30)는 본 발명에 따른 기능 및 동작을 제어하기 위한 복수의 버튼을 포함하는 버튼입력장치 및 상기 디스플레이부(20)의 화면에 일체로 구성되어 터치되는 위치에 대응하는 위치신호를 출력하는 터치패드, 회전 가능하도록 구성되어 회전방향 및 회전 각도에 따른 제어신호를 출력하는 회전입력장치 등을 포함할 수 있을 것이다.
생체파 측정부(40)는 사용자의 손목, 목, 심장 등과 같은 신체에 접촉되어 사용자의 심전도를 측정하여 심전도에 따른 심전도 파형을 출력하는 심전도 측정부(41) 및 사용자의 손목, 목 등에 접촉되어 사용자의 맥을 측정하여 맥파를 출력하는 맥파 측정부(42) 중 어느 하나 이상을 포함한다.
동작잡음 검출부(50)는 가속도 측정부(51) 및 압력 측정부(52)를 포함한다. 동작잡음 검출부(50)는 가속도 측정부(51) 및 압력 측정부(52) 중 어느 하나로만 구성될 수도 있을 것이다. 이 경우 근육 움직임 등과 같은 좀 더 미세한 움직임을 검출할 수 있는 압력 측정부(52)가 구성되는 것이 바람직할 것이다.
가속도 측정부(51)는 가속도센서(Accelerometer Sensor)를 포함하여, 사용자의 신체 움직임에 의한 가속도를 측정하여 동작잡음으로 출력한다.
압력 측정부(52)는 압력센서(Pressure Sensor)를 포함하여 사용자의 신체 근육의 움직임에 따른 압력을 감지하여 동작잡음으로 출력한다. 상기 압력센서는 피에조(Piezo)센서 등이 적용될 수 있을 것이다.
제어부(60)는 생체파 획득부(61), 동작잡음 획득부(62), 필터링부(63) 및 심박수 계산부(66)를 포함하여, 본 발명에 따른 생체파 기반 심박수 측정 장치의 전반적인 동작을 제어한다.
구체적으로 설명하면, 생체파 획득부(61)는 생체파 측정부(40)를 통한 심전도 파형 및 맥파 파형 중 어느 하나를 획득하여 필터링부(63)로 출력한다.
동작잡음 획득부(62)는 동작잡음 검출부(50)의 가속도 측정부(51) 및 압력측정부(52) 중 적어도 어느 하나 이상을 통해 동작잡음인 가속도 및 압력 중 어느 하나 이상을 획득하여 필터링부(63)로 출력한다.
필터링부(63)는 동작잡음 검출부(50)의 구성 여부에 따라 가속도 동작잡음 필터링부(64) 및 압력 동작잡음 필터링부(65) 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
상기 가속도 동작잡음 필터링부(64)는 상기 생체파 및 가속도인 동작잡음을 입력받아 가속도에 대한 동작잡음으로 생체파를 필터링하여 출력한다.
압력 동작잡음 필터링부(65)는 상기 생체파 획득부(61)로부터 생체파를 입력받고 상기 동작잡음 획득부(62)로부터 압력인 동작잡음인 압력 동작잡음을 입력받고, 상기 압력 동작잡음으로 상기 생체파를 필터링하여 심박수 계산부(66)로 출력하거나, 상기 가속도 동작잡음 필터링부(64)에서 1차 필터링된 생체파를 상기 압력 동작잡음으로 2차 필터링하여 심박수 계산부(66)로 출력한다.
심박수 계산부(66)는 상기 필터링부(63)로부터 입력되는 생체파에 근거하여 심박수를 계측한다.
도 2는 본 발명에 따른 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 우선 제어부(60)는 생체파 측정 개시 이벤트가 발생되는지를 검사한다(S111). 상기 생체파 측정 개시 이벤트는 입력부(30)에 의해 발생될 수도 있고, 미리 설정된 정보에 따라 주기적으로 발생될 수도 있을 것이다.
생체파 측정 개시 이벤트가 발생되면 제어부(60)는 생체파 측정부(40) 및 동작잡음 검출부(50)를 구동한다(S113, S115).
생체파 측정부(40) 및 동자잡음 검출부(50)가 구동되면, 제어부(60)는 생체파 측정부(40)로부터 생체파가 입력되는지를 검사하고(S117), 생체파가 입력되면 버퍼링한다(S119).
상기 생체파가 버퍼링되면 제어부(60)는 동작잡음 검출부(50)를 통해 제1동작잡음 및 제2동작잡음 중 어느 하나 이상이 검출되는지를 모니터링한다(S121, S123, S125). 상기 제1동작잡음은 가속도 동작잡음이고, 제2동작잡음은 압력 동작잡음이다.
가속도 동작잡음만 검출되면 제어부(60)는 가속도 동작잡음으로만 생체파를 필터링하여 출력한다(S127). 그러나 실질적으로 가속도 동작잡음만 검출되는 경우는 발생되지 않을 것이다.
압력 동작잡음만 검출되면 제어부(60)는 압력 동작잡음만으로 생체파를 필터링한다(S129).
가속도 동작잡음 및 압력 동작잡음 둘 모두 검출되면 제어부(60)는 가속도 동작잡음으로 1차 필터링을 수행한(S131) 후 압력 동작잡음으로 2차 필터링을 수행한다(S133).
그리고 가속도 동작잡음 및 압력 동작잡음 둘 모두 검출되지 않았으면 제어부(60)는 생체파를 필터링하지 않는다(S135).
상술한 바와 같이 필터링 과정이 종료되면 제어부(60)는 필터링된 생체파 또는 동작잡음이 없는 생체파에 근거하여 심박수를 계산한다(S137).
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 사용자의 손 움직임에 따른 동작잡음을 포함하는 생체파 및 동작잡음 제거에 따른 주파수 영역의 생체파 파형을 나타낸 도면으로, 손을 쥐었다 폈다 하는 반복 동작에 의한 동작잡음과 관련된 파형들을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 301은 사용자가 손을 쥐었다 폈다 하는 반복동작에 의한 움직임 시의 생체파인 맥파의 주기도, 즉 파형도로서 60BPM에서 사용자의 움직임에 따른 동작잡음(311)과 심박수를 계산하기 위한 맥파(312)가 100BPM에 혼합되어 있음을 나타내고 있다.
302는 가속도 측정부(51)의 가속도센서에 의해 측정되는 주기도를 나타낸 것으로 60BPM에서 손을 쥐었다 폈다 하는 동작잡음(311)이 검출되지 않고 있다. 따라서 제어부(60)는 맥파 파형도(301)에서 302의 가속도센서 파형을 적용하여 동작잡음(311)을 제거할 수 없다.
이에 반해, 303은 압력측정부(52)의 압력센서에 의해 측정되는 주기도, 즉 파형도를 나타낸 것으로 301의 동작잡음(311)의 60BPM에 대응하는 영역에서 동작잡음(311)이 검출되고 있다. 따라서 제어부(60)는 303의 동작잡음(311)으로 301의 동작잡음(311)을 제거할 수 있다.
도 3의 304는 302로 필터링을 수행한 결과 맥파 파형으로, 사용자의 움직임에 따른 동작잡음(311)을 심박수를 측정하여야 할 맥파로 인식하므로 오류가 발생함을 나타내고 있다.
이에 반해, 도 3의 305는 301을 303으로 필터링하므로 동작잡음(311)을 확실하게 제거하여 정확한 맥파인 100BMP의 신호를 심박수를 측정하기 위한 맥파로 정확하게 인식함을 나타내고 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 사용자의 손가락 움직임에 따른 미세 동작잡음을 포함하는 생체파 및 동작잡음 제거에 따른 주파수 영역의 생체파 파형을 나타낸 도면으로, 손가락을 치는 움직임을 하는 경우의 가속도센서에 의한 동작작음 제거 및 압력센서에 의한 동작잡음 절차를 주기도로 나타낸 것이다.
구체적으로 도 4의 401은 생체파 측정부(40)를 통해 측정되는 생체파를 나타낸 것으로, 주파수영역 100BPM에 맥파(412)가 존재하고, 60BPM에 사용자의 손가락 치는 움직임에 의한 동작잡음(411)이 존재함을 나타내고 있다.
이때, 가속도 측정부(51)는 402와 같은 가속도 주기도를 출력하고, 압력 측정부(52)는 403과 같은 압력 주기도를 출력한다.
상기 402에서 보이는 바와 같이 가속도 주기도에서 보이는 바와 같이 60BMP 영역에서 동작잡음(411)이 검출되지 않고 있다.
이에 반해, 403은 60BMP에서 동작잡음(411)이 검출되고 있음을 나타내고 있다.
404는 402를 적용하여 401의 맥파 파형을 필터링한 경우를 나타낸 것으로, 60BPM의 동작잡음(411)을 심박수를 측정하여야 할 맥파로 인식함을 나타내고 있다. 따라서 이 경우 오류가 발생할 것이다.
그러나 405는 403을 적용하여 필터링을 수행한 경우 60BPM의 동작잡음(411)을 정확하게 제거하여 100BPM의 맥파(312)를 심박수를 측정할 맥파(322)로 정확하게 인식함을 나타내고 있다.
상기 도 3 및 도 4에서는 미세 움직임에 따른 동작잡음들을 나타낸 것으로 압력 파형에 의해서만 동작잡음이 제거되는 경우를 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4와 같이 파형도로 나타내지는 않았으나, 큰 움직임에서는 가속도 파형에 의해서도 동작잡음을 제거할 수 있을 것이다.
한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
10: 저장부 20: 디스플레이부
30: 입력부 40: 생체파 측정부
41: 심전도 측정부 42: 맥파 측정부
50: 동작잡음 검출부 51: 가속도 측정부
52: 압력 측정부 60: 제어부
61: 생체파 획득부 62: 동작잡음 획득부
63: 필터링부 64: 가속도 동작잡음 필터링부
65: 압력 동작잡음 필터링부 66: 심박수 계산부

Claims (9)

  1. 사용자 신체에 부착되어 사용자로부터 발생하는 생체신호에 대한 생체파를 측정하여 출력하는 생체파 측정부;
    상기 사용자의 움직임에 따른 동작잡음을 검출하여 출력하는 동작잡음 검출부; 및
    상기 생체파 및 동작잡음을 버퍼링하는 저장부;
    상기 생체파 및 동작잡음을 상기 저장부로부터 로드하고, 상기 생체파를 상기 동작잡음으로 필터링하여 상기 생체파에 포함된 동작잡음을 제거한 후 상기 동작잡음이 제거된 생체파에 의해 심박수를 계산하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 생체파 측정부를 통해 획득된 생체파를 상기 저장부에서 로드하여 출력하는 생체파 획득부;
    상기 동작잡음 검출부를 통해 획득된 동작잡음을 상기 저장부로부터 로드하여 출력하는 동작잡음 획득부;
    상기 동작잡음 획득부에서 출력되는 동작잡음으로 상기 생체파 획득부로부터 출력되는 생체파에 포함된 동작잡음을 제거하여 출력하는 필터링부; 및
    상기 동작잡음이 제거된 생체파에 의해 심박수를 계산하는 심박수 계산부를 포함하고,
    상기 동작잡음 검출부는,
    사용자의 움직임에 따른 움직임정보인 가속도를 측정하여 출력하는 가속도센서를 포함하는 가속도 측정부; 및
    사용자의 근육의 미세 움직임에 따른 움직임정보인 압력을 측정하여 출력하는 압력센서를 포함하는 압력 측정부를 포함하고,
    상기 제어부의 동작잡음 획득부는,
    상기 가속도 및 압력 중 적어도 어느 하나 이상을 획득하여 상기 필터링부로 출력하며,
    상기 필터링부는
    입력되는 가속도 및 압력 중 어느 하나 이상에 의해 입력되는 생체파에서 동작잡음을 제거하여 출력하는 것을 특징으로 하는 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생체파 측정부는,
    상기 생체파로 사용자의 심전도를 측정한 심전도 파형을 출력하는 심전도 측정부; 및
    상기 생체파로 사용자의 맥파 파형을 출력하는 맥파 측정부 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압력센서는,
    피에조 센서인 것을 특징으로 하는 움직임센서를 이용한 생체파 기반 심박수 측정 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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